本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱熱塑性炭/塑料復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

自從LED燈具廣泛應(yīng)用以來，在世界范圍內(nèi)掀起了導(dǎo)熱塑料的研究開發(fā)熱潮，并由此帶動(dòng)了導(dǎo)熱塑料在其它領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。陶瓷、金屬、塑料、炭材料這四大材料在推動(dòng)人類文明進(jìn)步史上發(fā)揮了巨大的作用，可以說人類文明的進(jìn)步史也是一部材料的發(fā)展史。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類探索自然范圍的拓展，上述單一材料的使用逐漸地在某些應(yīng)用方面顯示出不足，而利用各個(gè)材料的優(yōu)點(diǎn)，通過取長補(bǔ)短，制備出復(fù)合材料是實(shí)踐需求的必然選擇。為實(shí)現(xiàn)有效的熱控制，對材料的導(dǎo)熱性能提出了越來越高的要求。作為傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料，金屬材料在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用受到一定限制。炭材料由于組成元素C的成鍵方式的多樣性，和制備技術(shù)的多元化，已制備出許多結(jié)構(gòu)和形貌各異的高導(dǎo)熱材料，如人造金剛石膜（2000W/mk）、高定向熱解石墨(1900W/mk)、炭/炭復(fù)合材料(300-600W/mk)、單層石墨烯（6000W/mk）、中間相瀝青基石墨纖維(1100W/mk)、單壁碳納米管（5000W/mk）、氣相生長石墨纖維(2000W/mk)等等。陶瓷材料也有許多導(dǎo)熱性較好的品種，如BN(120W/mk)、AlN(150W/mk)、SiC(100W/mk)等，是制備絕緣導(dǎo)熱塑料的不二選擇。高分子有機(jī)物塑料具有絕緣、質(zhì)輕、耐腐蝕、韌性好、易加工等特點(diǎn)，但其導(dǎo)熱率非常低，一般在0.1-0.5W/mk間，因此為了利用其優(yōu)勢性能而克服其導(dǎo)熱性差的缺點(diǎn)，作為熱管理材料應(yīng)用，必須對其導(dǎo)熱性進(jìn)行改善。根據(jù)材料的微觀結(jié)構(gòu)決定性能的原則以及固體導(dǎo)熱機(jī)理，提高塑料的導(dǎo)熱性能的途徑主要通過如下兩種方法實(shí)現(xiàn)：1）本證導(dǎo)熱塑料制備法。該法通過化學(xué)合成方法，制備結(jié)晶性比較高、聚合物高分子鏈中含有高導(dǎo)熱性的官能團(tuán)以及高分子鏈取向比較規(guī)整的高分子樹脂，如聚苯炔、聚吡咯、聚苯胺等，這種聚合物通過電子導(dǎo)熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱，但該法制備工藝復(fù)雜，成本昂貴；2）填料法。該法以普通的、價(jià)格便宜的絕緣高分子樹脂為基體，通過外加高導(dǎo)熱組元如高導(dǎo)熱陶瓷、金屬、炭材料來提高塑料的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱機(jī)理屬聲子導(dǎo)熱方式。兩相比較，方法2制備工藝比較簡單，成本較低。目前通過填料法來制備導(dǎo)熱塑料，一般填料與樹脂的共混多采用溶液共混、粉末共混、熔融共混三種方法。通過這三種混合方法制備的導(dǎo)熱塑料之所以面向?qū)崧实偷脑蛟谟冢簭?fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)是以樹脂包裹導(dǎo)熱組員為特征，使得導(dǎo)熱填料間的熱阻較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明鑒于目前國內(nèi)外市場上導(dǎo)熱塑料面向?qū)嵝圆蛔悖貏e是軸向?qū)崧瘦^低的問題，提供一種面向和軸向均為高導(dǎo)熱，成本低的高導(dǎo)熱熱塑性炭/塑料復(fù)合材料的制備方法。

面向熱導(dǎo)率在1-5 W/mk的塑料即可被稱為導(dǎo)熱塑料；在5-10W/mk的為高導(dǎo)熱塑料；＞10W/mk的被稱為超高導(dǎo)熱塑料，這種塑料既有絕緣型的，也有導(dǎo)電型的，主要由填料的電導(dǎo)性所決定。

本發(fā)明由于所制的導(dǎo)熱塑料具有炭材料包覆樹脂的結(jié)構(gòu)特征，因此在內(nèi)部容易形成三維導(dǎo)熱骨架網(wǎng)絡(luò)，正是這種特別的結(jié)構(gòu)使得本發(fā)明制備的塑料雙向具有良好導(dǎo)熱性能，由于成型工藝所定以及炭材料的各向異性結(jié)構(gòu)特征，所制的導(dǎo)熱塑料的面向?qū)崧?in-plane)為40-150W/mk，軸向?qū)崧?through-plane)為5-10W/mk。在本發(fā)明中，中間相瀝青基石墨纖維起石墨微晶包覆樹脂的作用，從而構(gòu)成三維導(dǎo)熱骨架網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明中所用的基體高分子樹脂由于本身是熱的不良導(dǎo)體，因此對導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱性能的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，而不同基體材料主要體現(xiàn)在最終導(dǎo)熱塑料的力學(xué)強(qiáng)度上的差別。由此可見本發(fā)明制備的導(dǎo)熱塑料不僅從面向?qū)醽砜磳儆诔邔?dǎo)熱塑料，而且從軸向?qū)醽砜匆矊儆诟邔?dǎo)熱塑料。這種兩個(gè)方向均具有良好導(dǎo)熱性能的塑料，在面向有利于均熱，避免局部灼熱點(diǎn)，減少零件因高溫造成的局部變形；而軸向良好的導(dǎo)熱性能有利于熱傳導(dǎo)，因此這種高導(dǎo)熱塑料可以用作化工生產(chǎn)和廢水處理中的熱交換器、導(dǎo)熱管、太陽能熱水器及蓄電池冷卻器；在航空領(lǐng)域有可能作為戰(zhàn)斗機(jī)的隱身材料；在電子領(lǐng)域可以作為抗靜電、電磁干擾/射頻干擾屏蔽材料；外部通過涂刷導(dǎo)熱絕緣漆，可以應(yīng)用在微電子領(lǐng)域?？傊@種高導(dǎo)熱塑料在熱管理需求的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用了有別于前述的填料與樹脂基體混合方法-浸漬法，該工藝過程包括：

(1)將樹脂、溶劑在機(jī)械攪拌下制成供浸漬用的浸漬液，其中樹脂：溶劑的質(zhì)量比為1：（2 -4）；

(2)將上述配好的浸漬液在常溫常壓下浸入高導(dǎo)熱炭材料，其中高導(dǎo)熱炭材料：樹脂的質(zhì)量比為1：（1-9）；

(3)在烘干溫度為50-70℃、烘干時(shí)間為1-2hr的條件下，將步驟(2)得到制品烘干；

(4)將烘干后的制品在壓力為50-150Mpa，成型溫度為50-300℃條件下，模壓或注塑成型。

如上所述的樹脂為環(huán)氧樹脂、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚苯硫醚（PPS）。

如上所述的浸漬用乳液中所用溶劑為丙酮或甲苯。

如上所述的攪拌的轉(zhuǎn)速為500-1000rpm。

如上所述的高導(dǎo)熱炭材料是表觀密度為0.2-0.6 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈。

本發(fā)明制備的高導(dǎo)熱熱塑性炭/塑料復(fù)合材料的面向?qū)崧?in-plane)為40-150W/mk、軸向?qū)崧?through-plane)為5-10W/mk，密度為1.0-1.45g/cm³。

另外，本發(fā)明所用炭材料、樹脂、溶劑均在國內(nèi)市場上購買。

本發(fā)明以高分子樹脂為基體，以中間相瀝青基石墨纖維為導(dǎo)熱增強(qiáng)組元，通過樹脂/溶劑浸漬低密度塊狀中間相瀝青基石墨纖維氈，形成微觀結(jié)構(gòu)具有石墨微晶包覆樹脂特征的導(dǎo)熱塑料，制備的導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率在垂直于成型壓力方向?yàn)?0-150W/mk(in-plane themal conductivity)，而在平行于成型壓力方向的熱導(dǎo)率為5-10W/mk(through-plane thermal conductivity)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明制備的導(dǎo)熱塑料的面向、軸向熱導(dǎo)率均遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)制備的導(dǎo)熱塑料面向、軸向?qū)崧剩瑢儆陔p向?qū)崴芰?，就面向?qū)岫裕瑢俪邔?dǎo)熱塑料；就軸向?qū)岫?，屬高?dǎo)熱塑料；

2、本發(fā)明制備的導(dǎo)熱塑料的微觀結(jié)構(gòu)具有石墨微晶包裹樹脂的結(jié)構(gòu)特征；

3、本發(fā)明制備的導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱途徑主要由石墨纖維氈構(gòu)成的三維導(dǎo)熱骨架網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；

4、本發(fā)明中樹脂與導(dǎo)熱填料的均勻混合方法主要是通過液體浸漬法完成。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

按環(huán)氧樹脂、丙酮溶劑的質(zhì)量比例為1：2，在轉(zhuǎn)速為500rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.6 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1：9；浸漬后在常壓50℃下烘干1hr，烘干后在成型壓力50Mpa、溫度為50℃條件下經(jīng)注塑成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.0 g/cm³，面向?qū)崧蕿?0W/mk，軸向?qū)崧蕿?W/mk；

實(shí)施例2

按環(huán)氧樹脂、丙酮溶劑質(zhì)量比例為1：3，在轉(zhuǎn)速為750rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的流體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.4 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1：2；浸漬后在常壓60℃下烘干1.2hr，烘干后在成型壓力100Mpa、溫度為60℃下條件下經(jīng)注塑成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.20 g/cm³，面向?qū)崧蕿?6W/mk，軸向?qū)崧蕿?W/mk；

實(shí)施例3

環(huán)氧樹脂、丙酮溶劑間的質(zhì)量比例為1：4，在轉(zhuǎn)速為1000rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.2 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1：1；浸漬后在常壓70℃下烘干2hr，烘干后在成型壓力150Mpa、溫度70℃條件下經(jīng)模壓成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.45 g/cm³，面向?qū)崧蕿?50W/mk，軸向?qū)崧蕿?0W/mk；

實(shí)施例4

ABS樹脂、甲苯溶劑間的質(zhì)量比例為1：2，在轉(zhuǎn)速為500rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.6 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與ABS樹脂的質(zhì)量比為1：9；浸漬后在常壓50℃下烘干1hr，烘干后在成型壓力50Mpa、溫度150℃條件下經(jīng)注塑成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.0 g/cm³，面向?qū)崧蕿?2W/mk，軸向?qū)崧蕿?.5W/mk；

實(shí)施例5

ABS樹脂、甲苯溶劑間的質(zhì)量比例為1：3，在轉(zhuǎn)速為750rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.4 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與ABS樹脂的質(zhì)量比為1：2；浸漬后在常壓60℃下烘干1.2hr，烘干后在成型壓力100Mpa、溫度160℃條件下經(jīng)注塑成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.2 g/cm³，面向?qū)崧蕿?05W/mk，軸向?qū)崧蕿?.3W/mk；

實(shí)施例6

ABS樹脂、甲苯溶劑間的質(zhì)量比例為1：4，在轉(zhuǎn)速為1000rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.2 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與ABS樹脂的質(zhì)量比為1：1；浸漬后在常壓70℃下烘干2hr，烘干后在成型壓力150Mpa、溫度170℃條件下經(jīng)模壓成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.45 g/cm³，面向?qū)崧蕿?50W/mk，軸向?qū)崧蕿?0W/mk。

實(shí)施例7

PPS樹脂、甲苯溶劑間的質(zhì)量比例為1：2，在轉(zhuǎn)速為500rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.6 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與PPS樹脂的質(zhì)量比為1：9；浸漬后在常壓50℃下烘干1hr，烘干后在成型壓力50Mpa、溫度260℃條件下經(jīng)注塑成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.0 g/cm³，面向?qū)崧蕿?1W/mk，軸向?qū)崧蕿?.2 W/mk；

實(shí)施例8

PPS樹脂、甲苯溶劑間的質(zhì)量比例為1：3，在轉(zhuǎn)速為750rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.4 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與ABS樹脂的質(zhì)量比為1：2；浸漬后在常壓60℃下烘干1.2hr，烘干后在成型壓力100Mpa、溫度280℃條件下經(jīng)注塑成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.2 g/cm³，面向?qū)崧蕿?07W/mk，軸向?qū)崧蕿?.5W/mk；

實(shí)施例9

PPS樹脂、甲苯溶劑間的質(zhì)量比例為1：4，在轉(zhuǎn)速為1000rpm機(jī)械攪拌下，制成供浸漬用的液體；在常溫常壓下用該液體浸漬表觀密度為0.2 g/cm³的中間相瀝青基石墨纖維氈，其與ABS樹脂的質(zhì)量比為1：1；浸漬后在常壓70℃下烘干2hr，烘干后在成型壓力150Mpa、溫度300℃條件下經(jīng)模壓成型，所制的導(dǎo)熱塑料的密度為1.45 g/cm³，面向?qū)崧蕿?50W/mk，軸向?qū)崧蕿?0W/mk。