一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙及其制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙材料及其制备方法。所述材料由尼龙树脂、金属粉末、陶瓷粉体、石墨烯、硬脂酸钙、铝酸酯、增韧剂和抗氧剂制得。本发明以分子链结构对称、结晶度高的尼龙6树脂为基体树脂，加入不同粒径的金属粉、陶瓷粉体及石墨烯材料进行搭接形成导热通路并利用陶瓷粉体限制导电通路，同时加入少量铝酸酯进行表面处理，使得本发明产品具有优异的导热性能，导热系数接近4W/m·K，能满足大功率、需要快速大量传热的电子电器产品，可广泛应用于LED灯内壁、印刷电路板等领域。

权利要求

1.一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙，其特征在于：其由以下质量份数的成分制成：35-45份高流动PA6，15-30份陶瓷粉体，30-40份金属粉末；0.5-2份石墨烯，1-3份硬脂酸钙，0.2-1份铝酸酯，1-5份增韧剂，0.5-1份抗氧剂；

所述陶瓷粉体为氮化硼；

所述氮化硼为表面经硅烷偶联剂处理过的粒径为10-50μm的氮化硼；

所述金属粉末为铝粉；

所述铝粉的粒径为10-20μm；

所述石墨烯为粒径8-12μm的1-5层片状石墨烯，且导热系数≥3500W/m·K。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙，其特征在于：所述高流动PA6的拉伸强度为70-80Mpa，熔融指数不小于70g/10min。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙，其特征在于：所述增韧剂为乙烯-辛烯接枝共聚物。

4.一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)按权利要求1～3任一所述的配方称取各种原料，

2)将高流动PA6树脂于70℃-80℃的温度下干燥1-2小吋，然后与其他所有原料混合均匀；

3)将混好的原料置于挤出机的下料斗中，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，即可获得超高导热尼龙。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：双螺杆挤出机熔融挤出造粒的工艺参数为：一区温度190-195℃，二区温度225-230℃，三区温度230-235℃，四区温度225-230℃，五区温度220-225℃，六区温度205-210℃，七区温度210-215℃，八区温度210-215℃，九区温度220-225℃，模头温度220-225℃；主机的转速为250-270r/min，喂料的转速为65-75r/min。

说明书

一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着大功率电子、电气产品的快速发展，必然会出现越来越多的由于产品发热，导致产品功效降低，使用寿命缩短等问题。有资料表明，电子元器件温度每升高2℃，其可靠性下降10%；50℃时的寿命只有25 ℃时的1/6。传统导热材料多为金属和金属氧化物，以及其他非金属材料，如石墨、炭黑、AlN等。随着科学技术和生产的发展，许多产品对导热材料提出了更高要求，希望其具有更加优良的综合性能，质轻、耐化学腐蚀性强、电绝缘性优异、耐冲击、加工成型简便等。导热绝缘聚合物复合材料因其优异的综合性能越来越多得到广泛应用。导热填料主要分为两种：一种是导热绝缘填料，如金属氧化物填料、金属氮化物填料等。另一种是导热非绝缘填料，如炭基填料和各种金属填料等。前者主要用于电子元器件封装材料等对电绝缘性能有较高要求的场合，后者则主要用于化工设备的换热器等对电绝缘性能要求较低的场合。填料的类型、粒径大小及分布、填充量和填料与基体间的界面性能对复合材料的热导率都有影响。

[0003] 聚合物基导热复合材料的国内外研究现状：聚合物基导热复合材料是通过添加导热填料来提高高分子材料的导热性能。一般是以高分子聚合物(如聚烯烃、聚四氟乙烯等)为基体，较好导热性能的金属氧化物如A12O3、MgO，以及高热导率的金属材料如Cu、Al等为导热填料，进行二相或多相体系的复合。目前欧洲和日本及美国都有公司报道有成熟产品在推广使用。荷兰皇家帝斯曼集团工程塑料推出了21世纪以来的第一种新型聚合物：DSM Stanyl TC系列导热塑料可用于LED，成为向LED照明应用的塑料散热管理解决方案的全球领先供应商。

[0004] 石墨烯目前是世上最薄(0.335nm)却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，吸收率仅为 2.3%，石墨烯的电子导电性良好，常温下其电子迁移率高于 15000 cm2/V·s，而电阻率仅为 10-6 Ω·cm，为目前世上电阻率最小的材料。在塑料中加入石墨烯可以极大的提高热传导性及导电性，同时提高塑料的表面硬度及刚性。

发明内容

[0005] 本发明目的就是针对现有金属材料作为导热制件的缺陷，加工成型工艺复杂繁琐、成本较为昂贵。提供了一种导热性好、可注塑成型的超高导热塑料，可以满足高功率电子电器散热要求，具有很高的实际应用价值。

[0006] 本发明的目的在于提供一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙。

[0007] 本发明的另一目的在于提供一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法。

[0008] 本发明所采取的技术方案是：

[0009] 一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙，其由以下质量份数的成分制成：35-45份高流动PA6，15-30份陶瓷粉体，30-40份金属粉末；0.5-2份石墨烯，1-3份硬脂酸钙，
0.2-1份铝酸酯，1-5份增韧剂，0.5-1份抗氧剂。

[0010] 进一步的，上述高流动PA6的拉伸强度为70-80Mpa，熔融指数不小于70g/10min。

[0011] 进一步的，上述陶瓷粉体为氮化硼。

[0012] 进一步的，上述氮化硼为表面经硅烷偶联剂处理过的粒径为10-50μm的氮化硼。

[0013] 进一步的，上述金属粉末为铝粉。

[0014] 进一步的，上述铝粉的粒径为10-20μm。

[0015] 进一步的，上述石墨烯为粒径8-12μm的1-5层片状石墨烯，且导热系数≥3500W/m·K。

[0016] 进一步的，上述增韧剂为乙烯-辛烯接枝共聚物。

[0017] 一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法，包括以下步骤：

[0018] 1）按上述所述的配方称取各种原料，

[0019] 2）将高流动PA6树脂于70℃-80℃的温度下干燥1-2小吋，然后与其他所有原料混合均匀；

[0020] 3）将混好的原料置于挤出机的下料斗中，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，即可获得超高导热尼龙。

[0021] 进一步的，上述双螺杆挤出机熔融挤出造粒的工艺参数为：一区温度190-195℃，二区温度225-230℃，三区温度230-235℃，四区温度225-230℃，五区温度220-225℃，六区温度205-210℃，七区温度210-215℃，八区温度210-215℃，九区温度220-225℃，模头温度220-225℃；主机的转速为250-270 r/min，喂料的转速为65-75 r/min。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 1）本发明通过复配无金属粉末、石墨烯、陶瓷粉体等成分，大幅度提高了尼龙6的导热性能，制备出具有超高导热系数的塑料。石墨烯结构为单层片状结构，而金属铝粉为圆珠状，铝粉在塑料中呈海岛结构分散，粒子之间存在塑料包覆，使得接触面积减少从而降低了导热效率；加入的石墨烯为片状结构，分散在粒子之间，把粒子之间都连接起来形成良好的导热通路，极大的促进导热网络的形成；同时陶瓷粉体的加入可以形成外层绝缘效果。

[0024] 2）本发明加入的硬脂酸钙加热熔融后在金属粉与塑料之间起到润滑作用，还可降低电机扭矩，节省能耗。

[0025] 3）本发明通过加入不同粒径的金属粉、陶瓷粉体及石墨烯材料进行搭接形成导热通路并限制导电通路的形成，同时加入少量铝酸酯进行表面处理，使得本发明产品具有导热性能优异，能满足大功率、需要快速大量传热的电子电器产品，可广泛应用于LED灯内壁、印刷电路板等领域。

具体实施方式

[0026] 一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙，其由以下质量份数的成分制成：35-45份高流动PA6，15-30份陶瓷粉体，30-40份金属粉末；0.5-2份石墨烯，1-3份硬脂酸钙，
0.2-1份铝酸酯，1-5份增韧剂，0.5-1份抗氧剂。

[0027] 优选的，上述高流动PA6的拉伸强度为70-80Mpa，熔融指数不小于70g/10min。

[0028] 优选的，上述高流动PA6为巴陵石化YH-700。

[0029] 优选的，上述述陶瓷粉体为氮化硼。

[0030] 优选的，上述氮化硼为表面经硅烷偶联剂处理过的粒径为10-50μm的氮化硼。

[0031] 优选的，上述金属粉末为铝粉。

[0032] 优选的，上述铝粉的粒径为10-20μm。

[0033] 优选的，上述石墨烯为粒径8-12μm的1-5层片状石墨烯，且导热系数≥3500W/m·K。

[0034] 优选的，上述石墨烯为常州第六元素的石墨烯。

[0035] 优选的，上述增韧剂为乙烯-辛烯接枝共聚物。

[0036] 优选的，上述抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺。

[0037] 优选的，上述铝酸酯国产DL-411，其熔化温度为50℃。

[0038] 一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法，包括以下步骤：

[0039] 1）按上述所述的配方称取各种原料，

[0040] 2）将高流动PA6树脂于70℃-80℃的温度下干燥1-2小吋，然后与其他所有原料混合均匀；

[0041] 3）将混好的原料置于挤出机的下料斗中，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，即可获得超高导热尼龙。

[0042] 优选的，上述双螺杆挤出机熔融挤出造粒的工艺参数为：一区温度190-195℃，二区温度225-230℃，三区温度230-235℃，四区温度225-230℃，五区温度220-225℃，六区温度205-210℃，七区温度210-215℃，八区温度210-215℃，九区温度220-225℃，模头温度220-225℃；主机的转速为250-270 r/min，喂料的转速为65-75 r/min。

[0043] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但并不局限于此。

[0044] 以下所有实施例所用组分如下所述：

[0045] 组分一高流动PA6树脂，拉伸强度70Mpa，熔融指数大于70g/10min，选用巴陵石化YH-700；

[0046] 组分二为陶瓷粉体，选用国产氮化硼，白色粉末，粒径10-50μm，表面经硅烷偶联剂处理过；

[0047] 组分三为金属粉末，选用超细铝粉，粒径10-20μm；

[0048] 组分四为1-5层片状石墨烯，粒径为8-12μm，且导热系数≥3500W/m·K，选用常州第六元素的石墨烯；

[0049] 组分五为硬脂酸钙；其熔化温度50℃；

[0050] 组分六为乙烯-辛烯接枝共聚物（POE），选用沈阳科通KT-915；

[0051] 组分七为抗氧剂1098，即双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺；

[0052] 组分八为铝酸酯，白色粉末，国产DL-411。

[0053] 实施例1一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法

[0054] 1）称取以下质量份数的原料：高流动PA6树脂40份；氮化硼22份；超细铝粉 30份；片状石墨烯1份；硬脂酸钙2份；抗氧剂1098 0.3份，DL-411 0.7份；POE 4份。

[0055] 2）将高流动PA树脂放在鼓风干燥机中于70℃-80℃的温度下干燥1-2小吋，然后与其他所有原料一起放入高混机中混合3分钟，混合均匀。

[0056] 3）将混好的原料置于挤出机的下料斗中，经双螺杆挤出机熔融挤出造料，即得超高导热尼龙；

[0057] 其中双螺杆挤出机熔融挤出造料的工艺参数为：一区温度190-195℃，二区温度225-230℃，三区温度230-235℃，四区温度225-230℃，五区温度220-225℃，六区温度205-
210℃，七区温度210-215℃，八区温度210-215℃，九区温度220-225℃，模头温度220-225℃。主机转速为260r/min，喂料转速为70r/min。

[0058] 实施例2一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法

[0059] 实施例2制备的方法与实施例1的方法相同，除了所用原料的质量份数不同。

[0060] 本实施例中的各原料的质量份数如下：

[0061] 高流动PA6树脂42份；氮化硼25份；超细铝粉 26份；片状石墨烯1份；硬脂酸钙2份；抗氧剂1098 0.3 份，DL-411 0.7 份；POE 3份。

[0062] 实施例3一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法

[0063] 实施例3制备的方法与实施例1的方法相同，除了所用原料的质量份数不同。

[0064] 本实施例中的各原料的质量份数如下：

[0065] 高流动PA6树脂42.5份；氮化硼30份；超细铝粉20份；片状石墨烯0.5份；硬脂酸钙2份；抗氧剂1098 0.3 份，DL-411 0.7 份；POE 4份。

[0066] 实施例4一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法

[0067] 实施例4制备的方法与实施例1的方法相同，除了所用原料的质量份数不同。

[0068] 本实施例中的各原料的质量份数如下：

[0069] 高流动PA6树脂41份；氮化硼18份；超细铝粉 33份；片状石墨烯1份；硬脂酸钙2份；抗氧剂1098 0.3 份，DL-411 0.7 份；POE 4份。

[0070] 实施例5一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法

[0071] 实施例5制备的方法与实施例1的方法相同，除了所用原料的质量份数不同。

[0072] 本实施例中的各原料的质量份数如下：

[0073] 高流动PA6树脂39.5份；氮化硼17份；超细铝粉 36份；片状石墨烯0.5份；硬脂酸钙2份；抗氧剂1098 0.3 份，DL-411 0.7 份；POE 4份。

[0074] 实施例6一种石墨烯/金属粉复合改性的超高导热尼龙的制备方法

[0075] 实施例6制备的方法与实施例1的方法相同，除了所用原料的质量份数不同。

[0076] 本实施例中的各原料的质量份数如下：

[0077] 高流动PA6树脂39.4份；氮化硼18份；超细铝粉 36份；片状石墨烯 0.6份，硬脂酸钙2份；抗氧剂1098 0.3 份，DL-411 0.7 份；POE 3份；。

[0078] 下面对上述实施例制备的超高导热尼龙作进一步的性能检测。

[0079] 按下列方法标准测材料力学性能：

[0080] 将实施例1 6造粒好的树脂置于温度为80-100℃的鼓风干燥箱中干燥2-3小时，在~80T注塑机上制样。冷却放置24小时后测试。测试标准为美国标准，测试温度为室温。拉伸强度标准ASTM D638，样条尺寸为57mm*127mm*3. 2mm(有效尺寸），拉伸速度为50mm/min；弯曲强度标准：ASTM D790，样条尺寸为127mm*13mm*3. 2mm，弯曲速度为2mm/min；悬臂梁冲击标准：ASTM D256，样条尺寸为64mm*12. 7mm*3. 2mm，缺口剩余宽度为10.12mm ；熔融指数标准：ASTMD1238，测试条件为250°C /2.16kg；导热测试标准：ASTMD1461。测试结果如表1所示。

[0081] 表1 实施例1-6与市售导热塑料产品性能的对比

[0082]

[0083] 由表1可知，石墨烯及金属铝粉改性后的尼龙高导热材料与市面上导热塑料产品物性相比，其导热系数比市面上一般绝缘导热材料高一倍以上，更适用于高功率LED灯座等需要快速散热电子电气产品。

[0084] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。