一种LED高导热性能复合材料及制备方法.pdf

本发明涉及一种LED高导热性能复合材料及制备方法，其为下述各组分经混合而成，60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂表面处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂。本发明与现有技术相比具有如下的优点：增强了材料的导热性能；可以防止热量过高引起产品燃烧起火的危险，极大提高安全性能；大大提高分子和原子间的结合反应速率，使得基体材料和填料更加快速和紧密的结合在一起，从而增强材料的导热性能；复合材料制备工艺简单，而且成本低，可以节约大量资源；适合于批量生产。

权利要求书
1.  一种LED高导热性能复合材料，其为下述各组分经混合而成，60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂表面处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂，所述的片状无机填料为石墨，所述的粉末状无机填料为碳化硅、三氧化二铝、氧化镁或氮化铝中的一种或几种的混合。

2.  根据权利要求1所述的LED高导热性能复合材料，其特征在于：所述的尼龙树脂为粒状PA66或者PA46，其粒径为1-5mm。

3.  根据权利要求1所述的LED高导热性能复合材料，其特征在于：所述的石墨为片状，其直径为10-30μm，厚度为1-5μm。

4.  根据权利要求1所述的LED高导热性能复合材料，其特征在于：所述的碳化硅、三氧化二铝、氧化镁或氮化铝为粉末状，粒径为10-100nm。

5.  根据权利要求1所述的LED高导热性能复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂。

6.  根据权利要求1所述的LED高导热性能复合材料，其特征在于：所述的阻燃剂为铝镁系、无卤或者PA加纤型环保阻燃剂。

7.  根据权利要求1所述的LED高导热性能复合材料，其特征在于：所述的相容剂为环状马来酸酐或者甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的相容剂。

8.  权利要求1-7任一项所述的LED高导热性能复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对片状无机填料采用偶联剂和表面处理剂进行表面处理，在以尼龙树脂为基体材料中添加片状无机填料，置于球磨机中进行混合均匀；
2)将粉末状无机填料和阻燃剂加入步骤1)所得混合物中，再次置于球磨机中进行混合均匀；
3)将步骤2)中所得混合物预热至60-80℃时，加入相容剂，再次置于球磨机中进行混合均匀；
4)将步骤3)混合好的原料放入双螺杆挤出机种进行造粒，包装成袋；其中各组分含量为：60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂表面处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂。

说明书一种LED高导热性能复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及高分子/无机复合材料技术领域，具体是涉及一种LED高导热性能复合材料及制备方法。
背景技术
目前LED照明散热外壳主要以铝及铝合金等金属为主，其不仅消耗大量矿产资源和能源，环境破坏和污染严重，而且存在加工成型复杂，质量重，成本高的问题，不适合日常生活的普及应用。因此为了使LED照明产品更快地走进千家万户，本发明着力解决上述问题，研究开发可进行大规模生产制造，且可回收循环使用，并具有质量轻，价格低等优点的高导热性导热功能材料作为散热外壳，可以提高LED散热能力，简化散热外壳的加工成型工艺，替代当前使用的LED的金属外壳时，可将大大降低LED照明产品生产成本。因此开发半导体照明用高导热性的导热功能材料对于国家提升传统照明产业，带动相关产业发展的重大措施，也是实现节能减排的重要途径，对拉动内需，扩大增长，加快发展方式转变，推进经济结构战略性调整，培育有国际竞争力的新兴产业具有重大意义。
另外对于LED照明散热外壳使用高导热性的导热塑料的研究较少，为了制造具有优良综合性能的导热材料，一般都是选用粒状高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充，因为在特定的填料比下，粒状具有较好的可加工性。这样得到的导热材料价格低廉、易加工成型，经过适当的工艺处理或配方调整可以应用于某些特殊领域的导热要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种LED高导热性能复合材料及制备方法，以替换采用金属材料作为散热外壳的产品，如各种室内和室外LED灯，克服了金属材料价格高、难加工的问题，还解决了成型效率低，质量重，不环保，不安全等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种LED高导热性能复合材料，其为下述各组分经混合而成，60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂表面处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂，所述的片状无机填料为石墨，所述的粉末状无机填料为碳化硅、三氧化二铝、氧化镁或氮化铝中的一种或几种的混合。
按上述方案，所述的尼龙树脂为粒状PA66或者PA46，其粒径为1-5mm。
按上述方案，所述的石墨为片状，其直径为10-30μm，厚度为1-5μm。
按上述方案，所述的碳化硅、三氧化二铝、氧化镁或氮化铝为粉末状，粒径为10-100nm。
按上述方案，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂。
按上述方案，所述的阻燃剂为铝镁系、无卤或者PA加纤型环保阻燃剂。
按上述方案，所述的相容剂为环状马来酸酐或者甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝的相容剂。
所述的LED高导热性能复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对片状无机填料采用偶联剂进行表面处理，在以尼龙树脂为基体材料中添加片状无机填料，置于球磨机中进行混合均匀；
2)将粉末状无机填料和阻燃剂加入步骤1)所得混合物中，再次置于球磨机中进行混合均匀；
3)将步骤2)中所得混合物预热至60-80℃时，加入相容剂，再次置于球磨机中进行混合均匀；
4)将步骤3)混合好的原料放入双螺杆挤出机种进行造粒，包装成袋；其中各组分含量为：60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂表面处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂。
本发明的片状无机填料和粉末状无机填料主要作为填充基体材料，并起导热作用；阻燃剂起阻燃和防火作用，防止材料过热燃烧；相容剂主要起基体材料和填料发生嵌段聚合反应，易形成网状结构。
本发明与现有技术相比具有如下的优点：
(1)本发明采用片状和粉粒状无机填料与基体材料相混合，使用不同粒径的各种导热填料在填料间形成最大的堆砌密度，使体系内最大程度地在热流方向上形成导热网链；从而增强了材料的导热性能；
(2)本发明采用对基体材料和无机填料混合好的原料中，再加入阻燃剂，可以防止热量过高引起产品燃烧起火的危险，极大提高安全性能；
(3)本发明采用对基体材料和无机填料在60-80℃进行预热后，再加入相容剂，可以提高复合物中各组分间的相容性，大大提高分子和原子间的结合反应速率，使得基体材料和填料更加快速和紧密的结合在一起，从而增强材料的导热性能；
(3)本发明的原材料易得，复合材料制备工艺简单，而且成本低，可以节约大量资源。
(4)本发明制备的复合材料可替代金属导热制品(如LED灯的散热体)，易于注塑成型加工，适合于批量生产。
附图说明
图1是实施例1制备的复合材料的电镜照片。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
一种LED高导热性能复合材料，其为下述各组分经混合而成，60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂表面处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂，所述的片状无机填料为石墨，所述的粉末状无机填料为碳化硅、三氧化二铝、氧化镁或氮化铝中的一种或几种的混合。
按上述方案，所述的尼龙树脂为粒状PA66或者PA46，其粒径为1-5mm。
按上述方案，所述的石墨为片状，其直径为10-30μm，厚度为1-5μm。
按上述方案，所述的碳化硅、三氧化二铝、氧化镁或氮化铝为粉末状，粒径为10-100nm。
按上述方案，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂。
按上述方案，所述的阻燃剂为铝镁系、无卤或者PA加纤型环保阻燃剂。
按上述方案，所述的相容剂为环状马来酸酐(MAH)或者甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝的相容剂。
所述的LED高导热性能复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对片状无机填料采用偶联剂进行表面处理，在以尼龙树脂为基体材料中添加片状无机填料，置于球磨机中进行混合均匀；
2)将粉末状无机填料和阻燃剂加入步骤1)所得混合物中，再次置于球磨机中进行混合均匀；
3)将步骤2)中所得混合物预热至60-80℃时，加入相容剂，再次置于球磨机中进行混合均匀；
4)将步骤3)混合好的原料放入双螺杆挤出机种进行造粒，包装成袋；其中各组分含量为，60-90wt.％的尼龙树脂为基体材料、经过偶联剂处理后的5-30wt.％的片状无机填料和粉末状无机填料的混合，2-10wt.％的阻燃剂和0.5-2wt.％的相容剂。
实施例1
选取70％基体材料粒状尼龙(PA46)和20％片状石墨在25℃时采用硅烷偶联剂进行表面处理，然后置入球磨机中进行均匀混合；然后将5％导热填料碳化硅和3％无卤阻燃剂加入球磨机中再次均匀混合，测试其阻燃等级；然后将上述混合物加热到70℃后，添加2％马来酸酐 (MAH)相容剂，再次在球磨机中混合均匀，测试其导热性能和物理机械性能，并对其微观组织进行分析(如图1所示)；最后通过双螺杆挤出机在270℃后进行挤出造粒，冷却至常温进行包装，所得产品的物理性能参数的具体数据如表1所示。
表1
导热复合材料性能指标参数密度(g/m3)1.35拉伸强度(MaP)90断裂伸长率(％)2.8弯曲强度(MaP)160冲击强度(GPa)45导热系数(W/m.K)3.5热变形温度(℃)185电阻率(Ω.cm)8.5×1014阻燃等级V0级
实施例2
选取75％基体材料尼龙(PA66)和15％片状石墨在25℃时采用钛酸酯偶联剂进行表面处理，然后置入球磨机中进行均匀混合；然后将5％导热填料碳化硅和2％铝镁系阻燃剂加入球磨机中再次均匀混合，测试其阻燃等级；然后将上述混合物加热到80℃后，添加3％甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝相容剂，再次在球磨机中混合均匀，测试其导热性能和物理机械性能，并对其微观组织进行分析；最后通过双螺杆挤出机在275℃后进行挤出造粒，冷却至常温进行包装。
实施例3
选取80％基体材料尼龙(PA46)和10％片状石墨在25℃时采用铝酸酯偶联剂进行表面处理，然后置入球磨机中进行均匀混合；然后将5％导热填料碳化硅和4％铝镁系阻燃剂加入球磨机中再次均匀混合，测试其阻燃等级；然后将上述混合物加热到80℃后，添加1％马来酸酐(MAH)相容剂，再次在球磨机中混合均匀，测试其导热性能和物理机械性能，并对其微观组织进行分析；最后通过双螺杆挤出机在280℃后进行挤出造粒，冷却至常温进行包装。
实施例4
选取82％基体材料尼龙(PA66)和8％片状石墨在25℃时采用钛酸酯偶联剂进行表面处理，然后置入球磨机中进行均匀混合；然后将5％导热填料碳化硅和2％无卤系阻燃剂加入球磨机中再次均匀混合，测试其阻燃等级；然后将上述混合物加热到80℃后，添加3％甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝相容剂，再次在球磨机中混合均匀，测试其导热性能和物理机械性能，并对其微观组织进行分析；最后通过双螺杆挤出机在285℃后进行挤出造粒，冷却至常温进行包装。