CN109082109A

CN109082109A - 一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料及其制备方法

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Publication number: CN109082109A
Application number: CN201810584743.6A
Authority: CN
Inventors: 甘秋洋; 陈亦奇
Original assignee: Xiamen Taidai Flfei Technology Co Ltd
Current assignee: Xiamen Taidai Flfei Technology Co Ltd
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2018-12-25

Abstract

本发明公开了一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，所述复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺48‑60%、石墨烯剂20‑30%、鳞片石墨15‑28%、硅烷偶合剂0.12~0.18%、分散剂0.12~0.18%、抗氧剂0.22~0.27%，所述石墨烯剂选自氧化还原石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种。本发明通过采用氧化还原的石墨烯或氧化石墨烯，使聚酰胺具有良好的导热性能，有效提高复合材料的导热率，进而确保复合材料可以对LED照明组件、IC等电子元件进行有效散热，达到延长电子元件使用寿命的效果。

Description

一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚酰胺纳米复合材料，特别是一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

电子与光电产业中，材料的导热性能极为重要，一直以来都是备受关注与研究的议题，特别是在消费性电子产品与 LED照明市场中，散热效果与产品的使用寿命直接相关，材料导热性能较差极易导致产品长时间处于工作状态，造成产品使用寿命下降。高分子材料具有质量轻、耐腐蚀性能、强韧物性和优良的加工性等优点，可轻易实现电子产品获得轻薄化的目标，但普通的高分子材料导热性较差，导致LED照明组件、IC散热性较差，造成电器元件的使用寿命受到较大的负面影响。

聚酰胺树脂，英文名称为polyamide，为工程塑料中产量需求最大、用途最广的品项。广泛应用于机械、汽车零配件、电器产品、纺织品、化工设备和航空等领域。其主要特点为优良的力学性能、机械强度高、强韧性好、具电绝缘性、耐热变形温度高与耐磨耗性好等优点。聚酰胺本身的导热性能较差。为了使身为热绝缘体的聚酰胺成为良好的热导体，通常需要添加大量的导热填充物或无机合金导体并且透过繁复的制程才能使聚酰胺获得稳定的生产批次均匀度与优良的导热性能。

石墨烯材料经研究显示为目前世界上应用材料中拥有最高散热系数的物质，约是铜的14倍、石墨的3.5倍，且具有非常优异的力学性能与化学稳定性。因此石墨烯被认为最适合解决目前LED照明和消费性电子产品散热问题。

发明内容

本发明提供了一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料及其制备方法，以至少解决现有技术中聚酰胺树脂导热率较低的问题。

本发明目地在于提供了一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，所述复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺48-60%、石墨烯剂20-30%、鳞片石墨15-28%、硅烷偶合剂0.12~0.18%、分散剂0.12~0.18%、抗氧剂0.22~0.27%，所述石墨烯剂选自氧化还原石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种。

进一步地，复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺54.5%、石墨烯剂25%、鳞片石墨20%、硅烷偶合剂0.15%、分散剂0.1%、抗氧剂0.25%。

更进一步地，所述聚酰胺选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610、聚酰胺46、聚酰胺612中的一种或多种，且所述聚酰胺的流动指数为3g/10min - 10g/10min。

更进一步地，所述石墨烯剂中石墨粒径为50nm - 100nm。

更进一步地，所述硅烷偶合剂选自γ―氨丙基三乙氧基硅烷或γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

更进一步地，所述抗氧剂选自Antioxidant 1098、168、1010、626或1076中的一种或多种。

更进一步地，所述聚酰胺包括聚酰胺6、聚酰胺610、全氟烷基乙醇，所述聚酰胺中聚酰胺6、聚酰胺610、全氟烷基乙醇的重量比为（5-10）：（3-15）：（0.1-1）。

本发明的另一目地在于提供了上述聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将聚酰胺至热风循环干燥设备中在95-115℃下干燥除水4—6小时；

步骤2：将步骤1所得聚酰胺、石墨烯剂置入充氮保护的高混密炼机中，在245-260℃下熔融混炼8-13分钟；

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺与石墨烯复合材料半成品中加入鳞片石墨、硅烷偶合剂、分散剂和抗氧剂，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得聚酰胺与氧化还原石墨烯或氧化石墨烯复合材料。

本发明的另一目地在于提供了上述聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料的使用方法，包括以下步骤

步骤1：聚酰胺与石墨烯的复合材料与纯聚酰胺以重量比为（10：1-30）混合，并加入到双螺杆挤出造粒机中进行熔融共混挤出造粒，即得成品。

步骤2：取得步骤1的成品置入 60 ℃充氮保护的烘箱中熟成 8 小时后，密封包装即得目标产品。

进一步地，所述步骤1中双螺杆挤出造粒机的熔融共混条件为：在265 ℃下，以680rpm的螺杆转速对母粒进行造粒。

本发明相对于现有技术，采用氧化还原的石墨烯或氧化石墨烯，使聚酰胺具有良好的导热性能，有效提高复合材料的导热率，进而确保复合材料可以对LED照明组件、IC等电子元件进行有效散热，达到延长电子元件使用寿命的效果。同时，本发明采用短时程、高效能且步骤明确的高速混密炼技术制得具有高稳定批次均匀性与优异导热性能的聚酰胺复合材料，简化复合材料的生产工艺、稳定材料质量、降低成本；并使产品拥有物性维持率高、加工性能优良且具备导热率高的优点。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

所述实施例1复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺6 48%、粒径为100nm的氧化石墨烯30%、鳞片石墨21.37%、γ―氨丙基三乙氧基硅烷0.18%、十二烷基硫酸钠0.18%、Antioxidant 1098 0.27%。

所述实施例1复合材料的制备方法如下：

步骤1：将聚酰胺6至热风循环干燥设备中在100℃下干燥除水4小时；

步骤2：将步骤1所得聚酰胺6、氧化石墨烯置入充氮保护的高混密炼机中，在260℃下熔融混炼12分钟；

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺6与氧化石墨烯复合材料半成品中加入鳞片石墨、γ―氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基硫酸钠和Antioxidant 1098，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得本实施例1聚酰胺与石墨烯的复合材料。

实施例2

所述实施例2复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺66 54.5%、粒径为100nm的氧化还原石墨烯25%、鳞片石墨20%、γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷0.15%、十二烷基硫酸钠0.1%、Antioxidant168 0.25%。

所述实施例2复合材料的制备方法如下：

步骤1：将聚酰胺66至热风循环干燥设备中在100℃下干燥除水4小时；

步骤2：将步骤1所得聚酰胺66、氧化还原石墨烯置入充氮保护的高混密炼机中，在260℃下熔融混炼12分钟；

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺66与氧化还原石墨烯复合材料半成品中加入鳞片石墨、γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、十二烷基硫酸钠和Antioxidant168，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得本实施例2聚酰胺与石墨烯的复合材料。

实施例3

所述实施例3复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺60%、石墨烯剂20%、鳞片石墨19.54%、γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷0.12%、十二烷基硫酸钠0.12%、Antioxidant1010 0.22%。其中，所述聚酰胺包括聚酰胺6、聚酰胺610、全氟烷基乙醇，且所述聚酰胺6、聚酰胺610、全氟烷基乙醇的重量比为10：5：0.5；所述石墨烯剂包括粒径100nm的氧化还原石墨烯和粒径100nm的氧化石墨烯，且氧化还原石墨烯与氧化石墨烯的重量比为1：1。

所述实施例3复合材料的制备方法如下：

步骤1：将聚酰胺至热风循环干燥设备中在100℃下干燥除水4小时；

步骤2：将步骤1所得聚酰胺、石墨烯剂置入充氮保护的高混密炼机中，在260℃下熔融混炼12分钟；

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺与石墨烯复合材料半成品中加入鳞片石墨、γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、十二烷基硫酸钠和Antioxidant1010，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得本实施例3聚酰胺与石墨烯的复合材料。

对照例1

所述对照例1复合材料的原料组成及其重量份数比为：聚酰胺66 54.5份、粒径为100nm的氧化还原石墨烯25份、γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷0.15份、十二烷基硫酸钠0.1份、Antioxidant168 0.25份。

所述对照例1复合材料的制备方法如下：

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺66与氧化还原石墨烯复合材料半成品中加入γ―(2 ,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、十二烷基硫酸钠和Antioxidant168，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得本对照例1聚酰胺与石墨烯的复合材料。

对照例2

所述对照例2复合材料的原料组成及其重量份数比为：聚酰胺66 54.5份、γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷0.15份、十二烷基硫酸钠0.1份、Antioxidant168 0.25份。

所述对照例2复合材料的制备方法如下：

步骤2：将步骤1所得聚酰胺66置入充氮保护的高混密炼机中，在260℃下熔融混炼12分钟；

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺66加入γ―(2 , 3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、十二烷基硫酸钠和Antioxidant168，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得本对照例2聚酰胺与石墨烯的复合材料。

实施例4

以实施例2的聚酰胺与石墨烯的复合材料作为母粒，进行使用生产的方法如下：

步骤1：将实施例2聚酰胺与石墨烯的复合材料与聚酰胺6以重量比1:1混合，并置入双螺杆挤出造粒机中，以第一区加工温度205 ℃、二区加工温度220 ℃、三区加工温度235℃、四区加工温度 255 ℃、造粒模头区加工温度 265 ℃，螺杆转速 680 rpm 进行熔融共混挤出造粒；

步骤2：取得步骤1的成品置入60 ℃充氮保护烘箱中熟成 4 小时后即得目标产品。

采用ASTM检测标准对实施例1-3及对照例1-2进行各项性能检验，结果如下表所示，

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对照例1	对照例2
							拉伸强度（MPa）	61.2	68.8	70.2	79.3	80.5	89.3
弯曲模量（MPa）	17880 .7	17740 .3	17650 .9	10467.3	10005.2	9452.8
							冲击强度（J/m）	24.1	31.2	33.5	42.6	41.3	53.2
热导率（W/m．K）	56.72	54.68	51.68	34.15	28.42	0.32
							耐盐雾性(2500h)	表面有老化裂痕	表面有老化裂痕	无明显老化裂痕	表面有老化裂痕	表面有老化裂痕	表面有老化裂痕

本发明实施例1-4采用氧化还原的石墨烯或氧化石墨烯，使聚酰胺具有良好的导热性能，有效提高复合材料的导热率，进而确保复合材料可以对LED照明组件、IC等电子元件进行有效散热，达到延长电子元件使用寿命的效果。同时，本发明实施例2，通过采用鳞片石墨，使实施例2复合材料具有较好的导热性能，相比于只采用石墨烯的对照例1，实施例2热导性能明显优于对照例1，即使是与对照例1碳元素含量相近的实施例4，采用石墨烯与鳞片石墨混合的实施例4的导热性能也明显优于对照例1的导热性能。

此外，如上表所示，实施例3中通过采用含全氟烷基乙醇的聚酰胺，有效提高复合材料的耐腐蚀性能，确保复合材料可应用于多种严酷环境，进而扩大复合材料的可使用范围。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺48-60%、石墨烯剂20-30%、鳞片石墨15-28%、硅烷偶合剂0.12~0.18%、分散剂0.12~0.18%、抗氧剂0.22~0.27%，所述石墨烯剂选自氧化还原石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，复合材料的原料组成及其重量百分比为：聚酰胺54.5%、石墨烯剂25%、鳞片石墨20%、硅烷偶合剂0.15%、分散剂0.1%、抗氧剂0.25%。

3.根据权利要求1或2所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，所述聚酰胺选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610、聚酰胺46、聚酰胺612中的一种或多种，且所述聚酰胺的流动指数为3g/10min - 10g/10min。

4.根据权利要求1或2所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，所述石墨烯剂中石墨粒径为50nm - 100nm。

5.根据权利要求1或2所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，所述硅烷偶合剂选自γ―氨丙基三乙氧基硅烷或γ―(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

6.根据权利要求1或2所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，所述抗氧剂选自Antioxidant 1098、168、1010、626或1076中的一种或多种。

7.根据权利要求1或2所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料，其特征在于，所述聚酰胺包括聚酰胺6、聚酰胺610、全氟烷基乙醇，所述聚酰胺中聚酰胺6、聚酰胺610、全氟烷基乙醇的重量比为（5-10）：（3-15）：（0.1-1）。

8.一种如权利要求1或2所述聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2：将步骤1所得聚酰胺、石墨烯剂置入充氮保护的高混密炼机中，在245-260 ℃下熔融混炼8-13分钟；

步骤3：向步骤2所得的聚酰胺与石墨烯复合材料半成品中加入鳞片石墨、硅烷偶合剂、分散剂和抗氧剂，置入充氮保护高混密炼机中在260 ℃下熔融混炼15分钟，即得聚酰胺与石墨烯复合材料。

9.一种如权利要求1-2所述聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料的使用方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：聚酰胺与石墨烯的复合材料与纯聚酰胺以重量比为（10：1-30）混合，并加入到双螺杆挤出造粒机中进行熔融共混挤出造粒，即得成品；

10. 根据权利要求9所述的聚酰胺与石墨烯高导热纳米复合材料的使用方法，其特征在于，所述步骤1中双螺杆挤出造粒机的熔融共混条件为：在265 ℃下，以680 rpm的螺杆转速对母粒进行造粒。