CN113993943A - 导热聚合物 - Google Patents

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Abstract

本文描述了导热热塑性聚合物，其包含聚合物基体、至少一种导热填料、至少一种拉伸强度填料和至少一种冲击强度填料。

Description

导热聚合物
技术领域
本公开涉及包含一种或多种填料的导热聚合物。
背景技术
聚合物本质上是绝缘材料，热导率小于0.3W/m*K。增加热导率的一种方法是将包括碳纤维、石墨、氮化硼、氧化铝、金、铜和石墨烯的传导性填料包括到聚合物基体中，在一些情况下，这可以导致高达55W/m*K的热导率增加。通常需要高浓度的传导性填料以便显著增加聚合物的基础热导率。
关于传导性填料的应用存在两个主要问题。首先，在大多数情况下，具有高热导率的填料是昂贵的，并且在高填充量水平下使用它们是成本高昂的。其次，高浓度的这些填料的存在可能对复合材料的机械特性(即冲击强度、拉伸强度等)造成严重影响。
热塑性聚合物也必须能够经受多种条件，尤其是当用于户外产品中时。户外电气产品可以使用30年或更多年并且一直暴露于极其苛刻的环境，诸如在-35℃至150℃范围内的温度，同时持续暴露于紫外线辐射、雨、盐、雾、臭氧、热循环、腐蚀性化学品等。本公开寻求解决这些和其他问题。
发明内容
本公开涉及一种导热聚合物，其包含：聚合物基体；至少一种导热填料；至少一种冲击强度填料；以及至少一种拉伸强度填料；其中：导热填料包括氮化硼、碳纤维、石墨、碳纳米管或它们的混合物；冲击强度填料包括碳纤维、碳纳米管、球形纳米颗粒或它们的混合物；并且拉伸强度填料包括碳纤维。
其他目的和特征将部分地显而易见，并且部分地在下文中指出。
具体实施方式
为了解决高导热填料的成本高和复合材料的机械特性降低的问题，本公开产生了通过将不同类型的填料掺入聚合物基体中以便增加热导率以及复合材料的机械性能而制成的传导性网络。以此方式，当引入导热填料时可以维持聚合物的机械性能而不经历通常发生的机械降解。填料类型的不同组合可以形成传导性网络。尽管如此，在一些情况下，期望将2维(2-D)填料和1维(1-D)填料组合以在较低的填料填充量下提供最高的热导率。为了进一步改善热导率和机械性能，纳米填料可用于能够以较低填充量形成传导性网络。纳米填料可以以不同形状(例如，球形、片状和杆状)来加以提供。因此，本公开通常使用某些纳米填料、宏观填料和纤维与聚合物或聚合物共混物(即，聚合物基体)结合，以允许导热材料在多种环境(包括苛刻和危险环境以及室外)中存活，同时降低成本并维持期望的机械特性。
在一个方面，本公开涉及一种导热聚合物，该导热聚合物通常包含聚合物基体(该聚合物基体包含聚合物或聚合物共混物)、改善热导率的一种或多种填料(导热填料)、改善拉伸强度的一种或多种填料(拉伸强度填料)以及改善冲击强度的一种或多种填料(冲击强度填料)。还可以掺入附加的填料，诸如导电填料。导热填料、拉伸强度填料和冲击强度填料可为相同或不同的，但在至少一个实施方案中，在本公开的导热聚合物中存在至少两种独特的填料。例如，一种填料可以满足导热填料和拉伸强度填料两者的要求，并且第二填料可以满足冲击强度填料的要求。然而，通常将理解，本文所讨论的填料的任何组合将是合适的。
在一个实施方案中，本公开的导热聚合物具有至少约0.5W/m*K(例如约0.5W/m*K至约20W/m*K)的热导率。例如，平面内热导率可为约0.5W/m*K至约20W/m*K，并且贯穿平面热导率可为约0.5W/m*K至约3W/m*K。此外，导热聚合物具有至少约7kJ/m2(例如约5kJ/m2至约30kJ/m2)的冲击强度。导热聚合物还具有至少约40MPa(例如约40MPa至约90MPa)的拉伸强度。在各种实施方案中，导热聚合物具有至多约10Ω*cm(例如约1Ω*cm至约10Ω*cm)的体积电阻率。
聚合物基体对化学品具有高耐性，并且能够经受苛刻和危险的环境。为了实现理想的特性，可优选聚合物共混物。聚合物选择可以影响所得热塑性塑料的多种因素，诸如拉伸强度、冲击强度、耐化学品性、工作温度、热变形温度等。因此，共混具有不同期望特性的不同聚合物可以提供具有那些特性的组合的聚合物基体。
聚合物基体可包含树脂材料。聚合物/树脂可包括热塑性材料或热固性材料。具体地讲，可用的聚合物包括热塑性聚合物，例如丙烯腈丁二烯苯乙烯、丙烯酸、纤维素、醋酸纤维素、环烯烃共聚物、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-乙烯醇、聚四氟乙烯、离聚物、液晶聚合物、聚甲醛、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚酰胺(例如，聚酰胺66或聚酰胺6)、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚己内酯、聚三氟氯乙烯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸环己二亚甲酯、聚碳酸酯、聚羟基链烷酸酯、聚酮、聚酯、聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等)、聚醚酮酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜、氯化聚乙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚亚苯基、聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺、聚苯乙烯、聚砜、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈、或它们的混合物。
在各种实施方案中，基础聚合物包含与一种或多种附加的聚合物共混的聚苯硫醚(PPS)。因为已知PPS在一些情况下产生脆性复合材料，所以可以将第二聚合物与PPS共混以便改善冲击特性。例如，PPS可以以相对较低的浓度与弹性体或聚烯烃(诸如例如聚乙烯和/或聚丙烯)共混。另选地，在其他实施方案中，基础聚合物包含与一种或多种附加的聚合物共混的聚酮。作为一个示例，并且一般来讲，可以将附加的聚合物(例如，聚乙烯和/或聚丙烯)以小于约50重量％、小于约40重量％、小于约30重量％、小于约20重量％、小于约15重量％、小于约10重量％或小于约5重量％的总浓度掺入基础聚合物(例如，PPS或聚酮)中。因此，在这些实施方案中，基础聚合物(例如PPS或聚酮)以至少约50重量％、至少约60重量％、至少约70重量％、至少约80重量％、至少约85重量％、至少约90重量％或至少约95重量％的浓度存在于聚合物基体中。可以将附加的聚合物(例如，聚乙烯和/或聚丙烯)以约5重量％至约50重量％、约5重量％至约40重量％、约5重量％至约30重量％、约10重量％至约30重量％、约10重量％至约20重量％、约10重量％至约15重量％或约15重量％至约20重量％的总浓度掺入基础聚合物(例如，PPS或聚酮)中。在这些实施方案中，基础聚合物(例如PPS或聚酮)以约50重量％至约95重量％、约50重量％至约90重量％、约70重量％至约95重量％、约70重量％至约90重量％、约80重量％至约90重量％、约85重量％至约90重量％或约80重量％至约85重量％的浓度存在。
一般来讲，添加到聚合物或聚合物的组合中的总填料重量(即，导热填料、拉伸强度填料和冲击强度填料的组合重量)小于约55重量％、小于约50重量％、小于约45重量％、小于约40重量％、小于约35重量％、小于约30重量％、小于约25重量％、小于约20重量％、小于约15重量％、小于约10重量％或小于约5重量％。例如，总填料重量可为约5重量％至约55重量％、约10重量％至约50重量％、约10重量％至约45重量％、约10重量％至约40重量％、约15重量％至约40重量％、约20重量％至约40重量％、约25重量％至约40重量％、约30重量％至约40重量％或约35重量％至约40重量％。
导热填料可以包括具有本领域中已知的热导率的任何填料。填料可具有高热导率(例如，具有高达约900W/m*K或大于约10W/m*K的热导率)、中间热导率(例如，具有约5W/m*K至约10W/m*K的热导率)或低热导率(小于约5W/m*K)。通常，当主要用作导热填料时，优选高热导率和中间热导率填料。当用作唯一的导热填料时，最优选高热导率填料，但也可以利用中间热导率填料。
作为一个示例，导热填料可以包括炭黑、氧化铝、氮化硼、二氧化硅、碳纤维、石墨烯、氧化石墨烯、石墨(诸如例如，膨胀石墨、合成石墨、低温膨胀石墨等)、氮化铝、氮化硅、金属氧化物(诸如例如，氧化锌、氧化镁、氧化铍、氧化钛、氧化锆、氧化钇等)、碳纳米管、碳酸钙、滑石、云母、硅灰石、粘土(包括片状脱落的粘土)、金属粉末(诸如例如，铝、铜、青铜、黄铜等)或它们的混合物。例如，导热填料可以包括氮化硼、碳纤维、石墨、碳纳米管或它们的混合物。在某些实施方案中，导热填料包括短切碳纤维。
用作导热填料的短切碳纤维可以具有至少50至500的长径比。
一般来讲，导热填料可以占组合物的约2重量％至约40重量％，例如约2重量％至约20重量％、约2.5重量％至约20重量％、约2.5重量％至约15重量％、约2.5重量％至约10重量％或约2.5重量％至约5重量％。优选地，导热填料占组合物的约2.5重量％至约15重量％，更优选地约2.5重量％至约5重量％。
拉伸强度填料可以包括例如宏观级填料和/或纳米级填料。例如，宏观级拉伸强度填料可以包括碳纤维。纳米级拉伸强度填料可以包括纳米金刚石、碳纳米管或它们的混合物。填料的拉伸强度可为约30MPa至约100MPa。
一般来讲，拉伸强度填料可以占组合物的例如约2重量％至约30重量％、约5重量％至约30重量％、约10重量％至约30重量％、约10重量％至约25重量％、约10重量％至约20重量％或约10重量％至约15重量％。优选地，拉伸强度填料占组合物的约10重量％至约30重量％，更优选地约10重量％至约15重量％。
纳米填料和细微填料的混合物可显著增加复合材料的冲击强度。纳米级冲击强度填料可以包括例如碳纳米管、粘土(包括片状脱落的粘土)、其他高长径比纤维、杆和薄片、球形纳米颗粒(包括例如纳米金刚石、热解法二氧化硅、纳米氧化铝和热解法氧化铝)或它们的混合物。细微级冲击强度填料可以包括例如碳纤维(例如，短切碳纤维、无定形碳纤维、长碳纤维等)、氧化铝或它们的混合物。在各种实施方案中，冲击强度填料包括短切碳纤维、球形纳米颗粒或它们的混合物。
一般来讲，冲击强度填料可以占组合物的例如约2重量％至约30重量％、约5重量％至约30重量％、约10重量％至约30重量％、约10重量％至约25重量％、约10重量％至约20重量％或约10重量％至约15重量％。优选地，冲击强度填料占组合物的约10重量％至约30重量％，更优选地约10重量％至约15重量％。
还可能期望将导电填料掺入聚合物基体中。导电填料包括但不限于碳纤维、碳纳米管以及它们的混合物。一般来讲，导电填料可以占组合物的约2重量％至约30重量％，例如约2重量％至约20重量％、约2.5重量％至约20重量％、约2.5重量％至约15重量％、约2.5重量％至约10重量％或约2.5重量％至约5重量％。优选地，导电填料占组合物的约2.5重量％至约15重量％，更优选地约2.5重量％至约5重量％。
还可以掺入附加的填料以促进3维(3-D)传导性网络的形成(诸如例如，合成石墨、碳纳米管等)、纤维分散(诸如例如，多面体低聚倍半硅氧烷等)、可加工性(诸如例如多面体低聚倍半硅氧烷等)并且提供夹层剪切(诸如例如，球形纳米颗粒，包括但不限于纳米金刚石、热解法二氧化硅、纳米氧化铝和热解法氧化铝)。附加的填料可以以组合物的约0.1重量％至约10重量％，例如约0.1重量％至约7重量％、约0.1重量％至约6重量％、约0.1重量％至约5重量％、约0.1重量％至约4重量％、约0.1重量％至约3重量％、约0.1重量％至约2重量％、约0.1重量％至约1重量％或约0.1重量％至约0.5重量％的浓度单独掺入。
在另一个实施方案中，还可以以组合物的约10重量％至约40重量％，例如约10重量％至约30重量％、约10重量％至约20重量％或约15重量％至约20重量％的浓度掺入填料以促进3维(3-D)传导性网络的形成。
作为一个示例，本公开的优选实施方案包括PPS和聚乙烯和/或聚丙烯聚合物基体中的以下填料：
Figure BDA0003388075410000061
可以包含附加的添加剂以提供经修改的特性，诸如UV稳定性、阻燃性、热稳定剂、抗氧化剂、染料、颜料、脱模剂、润滑剂、增粘剂等。当使用时，附加的添加剂将通常以约0.1重量％至约5重量％的量存在。
本公开的热塑性聚合物组合物可以用于本领域技术人员已知的制品和方法中。例如，该组合物可被注塑、吹塑和/或挤出。合适的应用包括照明装置、电气外壳、马达外壳、电源转换器(例如，反相器外壳或壳体)、散热器、冷板、散热管、模块壳体(例如，传感器)以及相机外壳或壳体。特别有用的应用包括在发光二极管(LED)装置中用作例如散热器。本公开的热塑性聚合物组合物可以替换由铝或其他金属制成的制品。以此方式，制品可以更轻质、可回收、成本更低，并且具有比传统铝制品更快的循环时间。
在各种实施方案中，热塑性聚合物组合物和/或由本公开的热塑性聚合物组合物制成的制品满足某些标准和/或要求。例如，NEMA制定了标准，外罩必须遵循这些标准才能具有防爆外罩资格。具体而言，NEMA 7型、8型、9型和10型外罩规定了危险场所内的防爆外罩必须遵循的标准。例如，NEMA 7型标准适用于被构造为用于在某些危险场所室内使用的外罩。危险场所可由多个官方机构中的一者或多者定义，包括但不限于美国国家电气规程(例如，1类I分区)和美国保险商实验室(UL)(例如，UL 1203)。例如，“美国国家电气规程”规定的1类危险区域是指空气中可能存在足够量的可燃气体或蒸汽以致***的区域。
可使用示例性实施方案的危险场所的示例可包括但不限于飞机库、飞机、钻机(用于石油、天然气或水)、生产钻机(用于石油或天然气)、冶炼厂、化工厂、发电厂、采矿作业、钢厂等。
已经详细描述了本公开，显而易见的是，在不脱离所附权利要求书所限定的本公开的范围内，可进行修改和变型。
当介绍本公开或其优选实施方案的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除所列元件之外的其他元件。
鉴于上述情况，可以看出，实现了本公开的若干对象并且获得了其他有利的结果。
在不脱离本公开的范围的情况下可以对组分进行各种改变，上述说明书中所包含的所有内容均应理解为例示性的，而非具有限制意义。

Claims (20)

1.一种导热聚合物，包含：
聚合物基体；
至少一种导热填料；
至少一种冲击强度填料；以及
至少一种拉伸强度填料；
其中：
所述导热填料包括氮化硼、碳纤维、石墨、碳纳米管或它们的混合物；
所述冲击强度填料包括碳纤维、碳纳米管、球形纳米颗粒或它们的混合物；并且
所述拉伸强度填料包括碳纤维。
2.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述导热填料、所述冲击强度填料和所述拉伸强度填料中的至少一者与所述导热填料、所述冲击强度填料和所述拉伸强度填料中的其他者不同。
3.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述至少一种导热填料的浓度为约2.5重量％至约30重量％。
4.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述至少一种冲击强度填料的浓度为约10重量％至约40重量。
5.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述至少一种拉伸强度填料的浓度为约10重量％至约40重量％。
6.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述聚合物基体包括至少一种选自由以下项组成的组的聚合物：聚苯硫醚、聚酰胺66、聚酰胺6、聚酮、聚烯烃以及它们的混合物。
7.根据权利要求6所述的聚合物，其中所述聚合物基体包括以下项中的至少一者：聚酮、聚苯硫醚、聚乙烯、聚丙烯或它们的混合物。
8.根据权利要求7所述的聚合物，其中所述聚合物基体包括浓度为至少约70重量％的聚苯硫醚和浓度小于约30重量％的聚乙烯、聚丙烯或它们的混合物。
9.根据权利要求1所述的聚合物，还包含至少一种导电填料，其中所述导电填料包括碳纤维、碳纳米管或它们的混合物。
10.根据权利要求1所述的聚合物，还包含：
(a)促进填料分散的填料，所述促进填料分散的填料包括多面体低聚倍半硅氧烷；
(b)促进可加工性的填料，所述促进可加工性的填料包括多面体低聚倍半硅氧烷；
(c)促进3-D网络形成的填料，所述促进3-D网络形成的填料包括合成石墨、碳纳米管或它们的混合物；以及/或者
(d)提供夹层剪切的填料，所述提供夹层剪切的填料包括球形纳米颗粒。
11.根据权利要求10所述的聚合物，其中：
(a)所述促进填料分散的填料的浓度为约0.1重量％至约3重量％；
(b)所述促进可加工性的填料的浓度为约0.1重量％至约3重量％；
(c)所述促进3-D网络形成的填料的浓度为约0.1重量％至约10重量％；并且
(d)所述提供夹层剪切的填料的浓度为约0.1重量％至约2重量％。
12.根据权利要求10所述的聚合物，其中所述球形纳米颗粒包括纳米金刚石、热解法二氧化硅、纳米氧化铝、热解法氧化铝或它们的混合物。
13.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述导热填料包括碳纤维、合成石墨或它们的混合物。
14.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述冲击强度填料包括碳纤维。
15.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述碳纤维包括短切碳纤维。
16.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述聚合物的热导率为至少约0.5W.m*K。
17.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述聚合物的冲击强度为至少约7kJ/m2。
18.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述聚合物的拉伸强度为至少约40MPa。
19.根据权利要求1所述的聚合物，其中所述聚合物的体积电阻率不大于约10Ω*cm。
20.根据权利要求1所述的聚合物，其中总填料重量小于约50重量％。
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