CN113861559B - 一种导热聚丙烯材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导热聚丙烯材料及其制备方法与应用，其中，所述导热聚丙烯材料包括如下重量份的组分：第一聚丙烯树脂60～83份、第二聚丙烯树脂4～10份、聚乙烯树脂2～10份、相容剂1～5份、泡沫金属3～8份、导热填料10～20份和钝化剂0.2～1份。本发明同时加入泡沫金属、导热填料和熔喷级聚丙烯对聚丙烯材料进行改性，在三者的协同作用下，不仅大幅度提高了材料的导热性能，而且还使材料实现了轻量化，同时具有较优的电绝缘性能和力学性能。

Description

一种导热聚丙烯材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于改性塑料技术领域，具体涉及一种导热聚丙烯材料及其制备方法与应用。

背景技术

导热材料在国防工业和国民经济的各个领域中均有着广泛的应用，传统的导热材料一般为金属材料，但由于金属材料的抗腐蚀性差而限制了其应用。高分子材料具有质轻、耐腐蚀、易加工成型、电绝缘性能好、力学性能及抗疲劳性能优良等特点，目前在信息产业等领域中逐渐发挥着重要的角色。然而，由于高分子材料绝大多数都是不良导体，且热导率极低，例如，聚丙烯(PP)的导热系数仅约为0.2W/(m·K)，尼龙6(PA6)的导热系数仅约为0.25W/(m·K)。但是，机械领域对于片材的热传导率一般要求需达到1.3～2W/(m·K)，在手机等芯片含量日益增加的电子产品领域则一般要求需达到5W/(m·K)以上。

为提高高分子材料的导热率，现有技术一般采用加入导热性较好的金属氧化物的方法，例如CN112029275A中公开了通过加入氧化锌、氧化镁、氧化铝、氮化硼、氮化锌、氮化铝、氢氧化镁、氢氧化铝、碳化硅或石墨来提高PA的导热性能。然而，这种方法由于所需加入的导热介质的量过多，导致材料的力学性能大幅度下降。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种导热聚丙烯材料及其制备方法与应用。

为实现其目的，本发明所采用的技术方案为：

一种导热聚丙烯材料，其包括如下重量份的组分：第一聚丙烯树脂60～83份、第二聚丙烯树脂4～10份、聚乙烯树脂2～10份、相容剂1～5份、泡沫金属3～8份、导热填料10～20份和钝化剂0.2～1份。

进一步地，所述第一聚丙烯树脂为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、无规聚丙烯中的至少一种，其在230℃/2.16kg测试条件下的熔体流动速率为8～70g/10min。

进一步地，所述第二聚丙烯树脂为熔喷聚丙烯，其在230℃/2.16kg测试条件下的熔体流动速率为1200～2500g/10min。

优选地，所述聚乙烯树脂为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的至少一种；考虑到加工性能，更优选采用线性低密度聚乙烯。

优选地，所述相容剂为接枝改性聚合物，包括PP接枝马来酸酐、POE接枝马来酸酐、PP接枝马来酸二丁酯中的至少一种。

优选地，所述泡沫金属为还原铁粉、泡沫铁粉中的至少一种，但不限于以上两种。

优选地，所述泡沫金属的孔隙率为60％～75％。泡沫金属的孔隙率过小，容易发生坍塌，以及容易发生导电；孔隙率过大则会使导热性能下降。

优选地，所述导热填料包括金属氧化物(例如氧化锌、氧化镁等)、金属氢氧化物(例如氢氧化铝、氢氧化镁)中的至少一种。

优选地，所述泡沫金属与所述导热填料的重量比值为0.2～0.5；更优选为0.3～0.4。该配比下，聚丙烯材料的综合性能较优。

优选地，所述钝化剂为抗氧剂1024。一般情况下，金属组分的加入会加快塑料的降解，而该钝化剂的加入可防止金属加速塑料降解。

相比于金属氧化物和金属氢氧化物等导热填料，本发明所使用的泡沫金属的电子传导速度更快，导热也更快。因此，泡沫金属的加入可大幅度提高聚丙烯材料的导热性能，还能减少聚丙烯材料中导热填料的添加量，使材料实现轻量化，同时减小低延展性填料对材料力学性能的影响，使材料韧性得到更好的保持。另外，泡沫金属本身具有刚性和韧性，可使材料在具有较佳韧性的同时，刚性也得到一定程度的提升。但若只加入泡沫金属，其多孔结构受破坏时，聚丙烯材料容易形成导电通路。而导热填料的存在可形成一定的阻隔效果，提高聚丙烯材料的电绝缘性能，因此，同时加入泡沫金属和导热填料的效果更好。进一步地，加入适量上述参数的熔喷聚丙烯，可完全填充泡沫金属的剩余空隙，如此不仅能进一步提高聚丙烯材料的导热性能，还能形成更稳定的阻隔效果，更好地防止聚丙烯材料形成导电通路。

所述聚乙烯树脂的熔点低，易于加工，以其作为辅助树脂，可增加原料组分的分散性，提高聚丙烯材料的力学性能，尤其是使用母粒法制备时，可实现使用密炼机制备泡沫金属母粒，避免双螺杆挤出机对泡沫金属过度挤压，使泡沫金属的多孔结构得以更好地保留。

本发明还提供了所述导热聚丙烯材料的制备方法，包括如下三种：

方法一(直接加工法)：将第一聚丙烯树脂、第二聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、相容剂、泡沫金属、导热填料及钝化剂混合，加入双螺杆挤出机中造粒，经冷却、切料，制得所述导热聚丙烯材料。

方法二(半侧喂料法)：将第一聚丙烯树脂、第二聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、相容剂、导热填料及钝化剂混合，加入双螺杆挤出机中造粒，泡沫金属从侧喂料口加入，经冷却、切料，制得所述导热聚丙烯材料。为了更好地保留泡沫金属的结构，侧喂料口需要开在挤出机靠后的位置，以减少泡沫金属留在螺筒中的时间。

方法三(母粒外混法)：(1)将聚乙烯树脂、第二聚丙烯树脂、相容剂、泡沫金属和钝化剂加入密炼机中加热混合，经单螺杆挤出机挤出造粒，得到泡沫金属母粒；(2)将第一聚丙烯树脂和导热填料混合，加入双螺杆挤出机中造粒，经冷却、切料，得到导热填料母粒；(3)将泡沫金属母粒和导热填料母粒混合，得到可直接用于注塑成型的所述导热聚丙烯材料。

在上述制备方法中，优选采用方法三母粒外混法制备，该方法可减少螺杆对泡沫金属的剪切，更好地保护泡沫金属的多孔结构，使聚丙烯材料的电绝缘性能更优，同时能确保聚丙烯材料的导热系数达到5W/(m·K)以上，能满足大多数电子元器件的导热需求。

本发明还提供了所述导热聚丙烯材料在制备电子元器件中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明同时加入泡沫金属、导热填料和熔喷聚丙烯对聚丙烯材料进行改性，在三者的协同作用下，不仅大幅度提高了材料的导热性能，而且还使材料实现了轻量化，同时具有较优的电绝缘性能和力学性能，在电子元器件等领域中具有良好的应用前景。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面通过具体实施例做详细的说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。除非特别指明，否则本发明实施例中采用的方法均为本领域的常规方法，所使用的设备、试剂、原料均可通过商业途径获得。

下列对本发明所用的原材料做如下说明，但不限于这些材料：

一、实施例1～6和对比例1～4分别提供了一种聚丙烯材料，其原料配方如下表1所示：

表1

注：表中“-”表示未添加该组分。

实施例1～6的聚丙烯材料采用半侧喂料法进行制备，步骤如下：将除泡沫铁粉或还原铁粉之外的其它组分进行混合，加入双螺杆挤出机中造粒，泡沫铁粉或还原铁粉则从设于40：1双螺杆挤出机第6节处的侧喂料口加入，经冷却、切料，制得聚丙烯材料。其中，双螺杆挤出机从第一区到第十区的温度依次为：160℃、180℃、190℃、220℃、230℃、230℃、230℃、230℃、220℃和210℃。

对比例1～4的聚丙烯材料参照实施例1～6的制备方法进行制备。

为比较制备方法对材料性能的影响，本发明还按照实施例1的配方分别采用了直接加工法和母粒外混法制备聚丙烯材料。

其中，直接加工法的步骤如下：按照实施例1的配方，将所有组分进行混合，加入40:1的双螺杆挤出机中造粒，经冷却、切料，制得聚丙烯材料，记为产品2。其中，双螺杆挤出机从第一区到第十区的温度依次为：160℃、180℃、190℃、220℃、230℃、230℃、230℃、230℃、220℃和210℃。

母粒外混法的步骤如下：

(1)制备泡沫金属母粒：将聚乙烯树脂、第二聚丙烯树脂、相容剂、泡沫金属和钝化剂加入密炼机中加热混合，经单螺杆挤出机挤出造粒，得到泡沫金属母粒；密炼机的工艺条件为170℃，密炼10～15min，待电流稳定后的2～3分钟挤出造粒；单螺杆挤出机从第一区到第六区的温度依次为170℃、180℃、180℃、180℃、180℃和170℃；

(2)制备导热填料母粒：将第一聚丙烯树脂和导热填料混合，加入双螺杆挤出机中造粒，经冷却、切料，得到导热填料母粒；双螺杆挤出机从第一区到第十区的温度依次为：170℃、190℃、220℃、240℃、250℃、250℃、250℃、250℃、240℃和220℃；

(3)将泡沫金属母粒和导热填料母粒混合，得到可直接用于注塑成型的聚丙烯材料，记为产品3。

实施例1的配方采用半侧喂料法制备的聚丙烯材料记为产品1。

性能测试

将上述实施例和对比例制备的聚丙烯材料进行性能测试，相关性能的测试标准或方法如下：

拉伸强度：哑铃型样条，满足GB/T 1040.1-2006；

冲击强度：注塑缺口样条，缺口为A型，满足GB/T 1843-2008；

导热系数：100mm×100mm×3mm方板，满足GB/T 10294-2008；

表面电阻：100mm×100mm×3mm方板，满足GB/T 1410-2006；

密度：采用冲击样条测试，满足GB/T 1033-2008。

测试结果如表2所示：

表2

注：导热系数达到5W/(m·K)以上时，能满足目前手机等芯片含量日益增加的电子产品的导热要求；表面电阻达到1×10⁶Ohm以上时，使用安全性较好，否则容易形成导电通路，导致电子元器件被击穿。

结果分析：从实施例1的产品1～3可看出，制备方法的不同会导致所制备的聚丙烯材料的性能存在差异，而以母粒外混法制备时材料在提高导热性的同时，表面电阻最大，电绝缘性能最优，且力学性能和导热性能均能满足电子元器件的应用要求，因此，优选采用母粒外混法制备。实施例1的产品1和实施例2～3之间，实施例2在导热性能和电绝缘性能上均最优，且力学性能也较好，因此以实施例2作为优选配方。比较产品1和实施例4可知，第一聚丙烯树脂的种类不同，也会影响材料的力学性能和电绝缘性能，这取决于第一聚丙烯树脂本身的特性，因此，可根据产品性能要求来选用不同种类的第一聚丙烯树脂，应用于不同的产品中。从对比例1～4还可看出，只有同时加入泡沫金属、导热填料和熔喷聚丙烯对聚丙烯材料进行改性时，材料才能同时兼顾导热性能和电绝缘性能，同时力学性能也能得到一定程度的提升。从产品1和对比例3还可看出，将部分导热填料替换为泡沫金属，可降低材料的密度，使材料实现轻量化。从实施例6还可看出，实施例6由于采用了孔隙率较低(50％)的泡沫铁粉B，导致材料的表面电阻减小，电绝缘性能降低。

二、为探究泡沫金属与导热填料的配比对聚丙烯材料的性能影响，设计了表3的试验组1～4，其中所用的泡沫金属均为泡沫铁粉，所用的导热填料由氧化锌和氢氧化铝以1:1的重量比混合而成。将试验组1～4分别以实施例2的配方采用半侧喂料法制备PP材料，其中泡沫铁粉和导热填料的总添加量均为22份，其它组分的种类及添加量均同实施例2。

表3

组别	泡沫金属:导热填料(重量比)
		试验组1	0.2
试验组2	0.3
		试验组3	0.4
试验组4	0.5

将上述制备的PP材料进行性能测试，结果如表4所示：

表4

从上表数据可看出，随着泡沫金属含量占比的增大，材料的导热系数逐渐增大，但表面电阻也逐渐减少；当泡沫金属与导热填料的重量比为0.2～0.5时，材料的导热性能、电绝缘性能和力学性能均能满足大部分电子元器件的使用要求，尤其是泡沫金属与导热填料的重量比为0.3～0.4时，材料的导热性能和电绝缘性能达到较好的平衡。

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本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种导热聚丙烯材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：第一聚丙烯树脂60~83份、第二聚丙烯树脂4~10份、聚乙烯树脂2~10份、相容剂1~5份、泡沫金属3~8份、导热填料10~20份和钝化剂0.2~1份，所述第一聚丙烯树脂为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、无规聚丙烯中的至少一种，其在230℃/2.16kg测试条件下的熔体流动速率为8~70g/10min，所述第二聚丙烯树脂为熔喷聚丙烯，其在230℃/2.16kg测试条件下的熔体流动速率为1200~2500g/10min；

所述泡沫金属为还原铁粉、泡沫铁粉中的至少一种；

所述导热填料包括金属氧化物、金属氢氧化物中的至少一种；

所述泡沫金属的孔隙率为60%~75%；

所述泡沫金属与所述导热填料的重量比值为0.2~0.5；

所述钝化剂为抗氧剂1024。

2.如权利要求1所述的导热聚丙烯材料，其特征在于，所述聚乙烯树脂为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的至少一种。

3.如权利要求1所述的导热聚丙烯材料，其特征在于，所述相容剂为接枝改性聚合物，包括PP接枝马来酸酐、POE接枝马来酸酐、PP接枝马来酸二丁酯中的至少一种。

4.如权利要求1~3任一项所述的导热聚丙烯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将第一聚丙烯树脂、第二聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、相容剂、泡沫金属、导热填料及钝化剂混合，加入双螺杆挤出机中造粒，经冷却、切料，制得所述导热聚丙烯材料；

或者，将第一聚丙烯树脂、第二聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、相容剂、导热填料及钝化剂混合，加入双螺杆挤出机中造粒，泡沫金属从侧喂料口加入，经冷却、切料，制得所述导热聚丙烯材料；

或者，（1）将聚乙烯树脂、第二聚丙烯树脂、相容剂、泡沫金属和钝化剂加入密炼机中加热混合，经单螺杆挤出机挤出造粒，得到泡沫金属母粒；（2）将第一聚丙烯树脂和导热填料混合，加入双螺杆挤出机中造粒，经冷却、切料，得到导热填料母粒；（3）将泡沫金属母粒和导热填料母粒混合，得到可直接用于注塑成型的所述导热聚丙烯材料。

5.如权利要求1~3任一项所述的导热聚丙烯材料在制备电子元器件中的应用。