專利名稱：：導(dǎo)熱聚合物組合物和其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和機械強度的聚合物組合物，更具體地涉及通過包含混合金屬填料和低熔點金屬具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和機械強度的導(dǎo)熱聚合物組合物。
背景技術(shù)：
：隨著電子/電氣部件或產(chǎn)品能耗的增加，導(dǎo)熱材料的使用范圍和用量有增加的趨勢。金屬已主要用作常規(guī)導(dǎo)熱材料。然而，金屬可塑性低、產(chǎn)率低和部件可設(shè)計性低。由于這些限制，人們已致力于開發(fā)金屬的替代材料。已有建議將導(dǎo)熱聚合物作為替代材料。這種材料的優(yōu)點是在注塑法中具有高產(chǎn)率且允許精細設(shè)計。然而，可替代金屬的導(dǎo)熱聚合物材料具有最大約10[W/mK]的熱導(dǎo)率。因此，金屬仍用在需要高熱導(dǎo)率的部件上。目前，導(dǎo)熱聚合物材料的發(fā)展方向是以最低含量的導(dǎo)熱填料獲得最佳的熱導(dǎo)率，以確保注塑的流動性和適當水平的物理性質(zhì)。對于導(dǎo)熱聚合物組合物，日本專利申請公開第2006-22130號公開了這樣的組合物，其包括結(jié)晶聚合物、與低熔點金屬和金屬粉末相容性差的無機粉末，和纖維增強材料。此日本專利申請公開中的熱導(dǎo)體由與低熔點金屬和金屬粉末相容性差的無機粉末組成，因此采用與本發(fā)明不同的方法，其中通過使全部導(dǎo)熱填料之間的接觸效率最大化來增加熱導(dǎo)率。此外，基質(zhì)(即結(jié)晶聚合物)包含高含量的彼此間相容性差的材料，這會對物理性質(zhì)產(chǎn)生負面影響，且缺點是必需另外加入玻璃纖維以提高性質(zhì)。日本專利申請公開第2006-257174號公開了分別以1/95/5的比例按此順序分別使用可膨脹的石墨和常規(guī)石墨的導(dǎo)熱聚合物組合物。此發(fā)明涉及這樣的組合物，其通過調(diào)節(jié)可膨脹的石墨和常規(guī)石墨的比例來增加接觸概率以提高熱導(dǎo)率。然而，因為本發(fā)明使用石墨，所以其缺點是材料自身粘度高且材料易碎。而且，存在引起石墨從材料表面脫落的吸食(slurping)問題。美國專利第6048919號公開了這樣的組合物，其分別包含體積比為3060%和2560%的長徑比至少為101的導(dǎo)熱填料和長徑比小于51的導(dǎo)熱填料。在此發(fā)明中，導(dǎo)熱填料之間的接觸概率低于本發(fā)明的纖維和片狀填料和低熔點金屬之間的最佳接觸概率。此外，此發(fā)明缺乏對物理性質(zhì)的考慮。
發(fā)明內(nèi)容因此，考慮到上述問題而進行本發(fā)明，且本發(fā)明的目的是提供這樣的導(dǎo)熱聚合物組合物，其通過有效組合導(dǎo)熱填料而在金屬填料含量低時具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率，且能夠增強機械強度。本發(fā)明不限于上述目的，且本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將從以下本發(fā)明的說明中明顯得知其它目的。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，上述和其它目的可通過提供導(dǎo)熱聚合物組合物來完成，所述導(dǎo)熱聚合物組合物包含3085體積％的結(jié)晶聚合物樹脂、569體積％的混合金屬填料，和110體積％的低熔點金屬，所述低熔點金屬具有低于所述結(jié)晶聚合物樹脂熔點溫度的固相線溫度。導(dǎo)熱聚合物材料已主要通過組合聚合物/導(dǎo)熱填料來開發(fā)，且至今，十分希望顯著增加聚合物材料而非聚合物/導(dǎo)熱填料組合物的熱導(dǎo)率導(dǎo)熱性的其它方法。常規(guī)聚合物材料為具有0.10.4[W/mK]熱導(dǎo)率的熱絕緣體。當組合常規(guī)聚合物材料和導(dǎo)熱填料時，可獲得的最大熱導(dǎo)率為10[W/mK]。然而，當為獲得如此高的熱導(dǎo)率而使用高含量的導(dǎo)熱填料時，聚合物組合物的粘度快速增加，且機械性質(zhì)快速降低。因此，很難實現(xiàn)導(dǎo)熱聚合物材料的實際效益。在開發(fā)導(dǎo)熱聚合物材料中，根據(jù)傅立葉法則計算的聚合物組合物的理論熱導(dǎo)率與聚合物組合物的實際熱導(dǎo)率明顯不同。也就是說，根據(jù)傅立葉法則計算的聚合物組合物熱導(dǎo)率的最大值遠高于聚合物組合物的實際熱導(dǎo)率，其中組合物的實際物理性質(zhì)通常設(shè)置在理論計算值的最大值和最小值之間。也就是說，出于某一原因，聚合物組合物的實際熱導(dǎo)率遠未達到待加入的導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率。此差異的主要原因是，在導(dǎo)熱聚合物組合物中，特別是在導(dǎo)熱填料和聚合物的界面處，大量聲子被散射，因此干擾傳熱。因此，推定導(dǎo)熱填料的功能在組合物中受到顯著限制。然而，本發(fā)明人已進行了許多實驗。由此，他們提出導(dǎo)熱填料/聚合物的界面聲子散射可導(dǎo)致具有低含量(在不產(chǎn)生填料/填料接觸的范圍內(nèi)的填料含量)的聚合物組合物的顯著差異。然而，在具有高含量(在產(chǎn)生填料/填料接觸的范圍內(nèi)的填料含量)的聚合物組合物以獲得高熱導(dǎo)率的情況下，導(dǎo)熱填料/聚合物的界面聲子散射不是降低熱導(dǎo)率的主要原因。實際上，發(fā)明人推定在導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱填料界面處的聲子散射是降低熱導(dǎo)率的主要原因。也就是說，在導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱填料界面處的聲子散射引起導(dǎo)熱填料自身熱導(dǎo)率的顯著降低。盡管聲子散射在導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱填料的界面處產(chǎn)生，但是與填料在聚合物組合物內(nèi)隔離的情況相比，熱導(dǎo)率仍較高。因此，開發(fā)導(dǎo)熱聚合物組合物的重要因素是增加導(dǎo)熱填料之間的接觸概率。也就是說，因為聚合物本身的熱導(dǎo)率顯著低于導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率，所以認為在導(dǎo)熱填料/聚合物界面處聲子散射水平對整個聚合物組合物將不具有顯著影響。因此，使填料/填料界面處的聲子散射最小化，且同時使填料之間的接觸概率最大化可成為開發(fā)導(dǎo)熱聚合物組合物的重要因素。然而，填料/填料界面是材料特性而非可控因素。因此，使填料/填料的接觸概率最大化可成為開發(fā)導(dǎo)熱聚合物組合物的主要因素。在此方面，本發(fā)明人已經(jīng)研究出使填料之間接觸概率最大化的材料組成。因此，他們已經(jīng)開發(fā)出具有優(yōu)異熱導(dǎo)率和機械強度的導(dǎo)熱聚合物組合物，所述導(dǎo)熱聚合物組合物包含3085體積％的結(jié)晶聚合物樹脂、569體積％的混合金屬填料，和110體積％的低熔點金屬，所述低熔點金屬具有低于所述結(jié)晶聚合物樹脂的熔點溫度的固相線溫度。首先，檢查形成本發(fā)明樹脂組成的構(gòu)成組分。(A)結(jié)晶聚合物樹脂優(yōu)選用作本發(fā)明導(dǎo)熱聚合物組合物構(gòu)成組分的聚合物樹脂為結(jié)晶聚合物樹脂。這是因為結(jié)晶樹脂比非結(jié)晶樹脂具有更高的熱導(dǎo)率。因此，聚合物組合物的最終熱導(dǎo)率根據(jù)待用聚合物樹脂的熱導(dǎo)率而變化。結(jié)晶聚合物樹脂的實例非限定性地包括聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PA)、間規(guī)聚苯乙烯(sPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)，單種或兩種或更多種的組合。優(yōu)選本發(fā)明的結(jié)晶聚合物樹脂含量為3085體積％，且更優(yōu)選5079體積％，以導(dǎo)熱聚合物組合物的最終含量計。當結(jié)晶聚合物樹脂的量大于85體積％時，難以確保適合于在要求高熱導(dǎo)率的環(huán)境下實際使用時達到某一水平或更高的熱導(dǎo)率。當其量小于30體積％時，難以制備聚合物組合物。(B)混合金屬填料本發(fā)明導(dǎo)熱聚合物組合物的另一構(gòu)成組分是混合金屬填料，其中將具有兩種或更多種形狀的金屬混合。使用混合金屬填料來使導(dǎo)熱填料之間的接觸最大化。特別優(yōu)選地是將形狀為能夠提高物理性質(zhì)的纖維狀金屬填料與填料之間具有高接觸概率的片狀金屬填料以9119的體積比混合。更優(yōu)選地是基于導(dǎo)熱填料之間的接觸效率，纖維狀填料與片狀填料的體積比為4664。纖維狀或片狀金屬填料由具有優(yōu)異熱導(dǎo)率的金屬，如鋁、銅、鋅、鎂、鎳、銀、鉻、鐵、鉬或不銹鋼或它們的混合物制成，所述金屬使用諸如切害I]、銑削、熔融分散、電解、研磨或化學(xué)還原等方法被制成纖維或片狀形狀。纖維狀金屬填料的長徑比(長度/直徑)為1010，000，且優(yōu)選50300。當長徑比大于10，000時，難以進行組合物制備。當長徑比小于10時，填料之間的接觸概率和其物理性質(zhì)是不足的。片狀金屬填料的長徑比(長度/直徑)為10100，000,且優(yōu)選50500。當長徑比大于100，000時，樹脂中的填充因子會顯著降低，使得樹脂中會有填充的問題。當長徑比小于10時，填料之間的接觸概率是不足的。以導(dǎo)熱聚合物組合物計，本發(fā)明的混合金屬填料的含量為569體積％，且優(yōu)選2045體積％。當含量大于69體積％時，難以進行聚合物組合物制備。即使制備組合物，由于其粘度相當高，所以也難以用常規(guī)注塑進行。而且，當含量小于5體積％時，難以確保在適于要求熱導(dǎo)率的環(huán)境下其實際使用時的熱導(dǎo)率達到某一水平或更高。(C)低熔點金屬作為本發(fā)明導(dǎo)熱聚合物組合物的另一構(gòu)成組分的低熔點金屬是由兩種或更多種金屬元素組成的固溶體。特別優(yōu)選低熔點金屬是其固相線溫度低于上述結(jié)晶聚合物的熔點溫度的金屬固溶體。具體地，固相線溫度比結(jié)晶聚合物熔點溫度低20°C或更多的低熔點金屬允許填料之間的有效連網(wǎng)，且有利于制備過程的便利。優(yōu)選固相線溫度比聚合物組合物用于產(chǎn)品穩(wěn)定性的環(huán)境溫度高100°C或更多。通常，低熔點金屬主要由錫、鉍或鉛制成。通過調(diào)節(jié)這些主要組分和諸如銅、鋁、鎳或銀等金屬元素的含量，可控制諸如固相線溫度、液相線溫度或機械強度等物理性質(zhì)。低熔點金屬的實例包括這樣的低熔點金屬，其包含含量為89重量％或更高且小于100重量％的錫、鉍、鉛或它們的混合物，和含量大于0重量％且為11重量％或更低的銅、鋁、鎳、銀或它們的混合物。然而，只要固相線溫度低于結(jié)晶聚合物的熔點溫度，低熔點金屬就不限于具有上述構(gòu)成組分和組分構(gòu)成比的低熔點金屬。例如，當使用鋁作為金屬填料時，優(yōu)選在固溶體的組分中包含鋁。例如，當使用銅作為金屬填料時，優(yōu)選在固溶體的組分中包含銅。同時，鑒于錫更有利于環(huán)境，優(yōu)選低熔點金屬主要由替代鉍或鉛的錫制成。優(yōu)選本發(fā)明的低熔點金屬的含量為最終導(dǎo)熱聚合物組合物的110體積％，且更優(yōu)選15體積％。當含量大于10體積％時，低熔點金屬與樹脂具有高界面能，引起浸漬/分散困難。當含量小于1體積％時，允許填料之間連網(wǎng)的功能不明顯，從而降低對填料之間接觸概率的改進作用。本發(fā)明的導(dǎo)熱聚合物組合物可包含諸如滑石、氧化硅、云母、氧化鋁或玻璃纖維等添加劑。通過添加這些無機填料，可改進諸如機械強度和熱變形溫度等物理性質(zhì)。而且，本發(fā)明的樹脂組合物可進一步包含UV吸收劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧化劑、阻燃劑、潤滑劑、染料和/或顏料。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知使用這些添加劑的量和方法。由本發(fā)明導(dǎo)熱聚合物組合物生產(chǎn)的部件具有高熱導(dǎo)率，使得從常規(guī)放熱部件產(chǎn)生的熱可有效地輻射。例如，當聚合物組合物被用在常規(guī)電力或電氣/電子設(shè)備的熱輻射中，或用在諸如個人電腦或數(shù)字視頻磁盤驅(qū)動器等電子設(shè)備中所用的諸如LSI或CPU等集成電路的熱輻射中時，其可給予產(chǎn)品非常好的可靠性。根據(jù)本發(fā)明，甚至在導(dǎo)熱填料的含量具有相對低的熱導(dǎo)率時，仍可獲得具有極佳熱導(dǎo)率和機械強度的聚合物組合物。因此，所述聚合物組合物可有效地被用作用于電氣/電子部件的熱輻射部件材料。因此，使用本發(fā)明的導(dǎo)熱聚合物組合物可改進放熱電氣/電子部件或含此放熱電氣/電子部件的電氣/電子設(shè)備的穩(wěn)定性或壽命。具體實施例方式下文中，本發(fā)明的組分和功能將通過本發(fā)明的適合實施例做更詳細描述，但這些實施例不以任何方式限制本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可毫無困難地在技術(shù)上通過類推來了解文中未描述的內(nèi)容，因此將省略其說明。本發(fā)明實施例和比較例中所用構(gòu)成組分的詳細描述如下。(A)結(jié)晶聚合物在本發(fā)明的實施例中，PPS(聚苯硫醚)被用作結(jié)晶聚合物樹脂。此PPS樹脂為自CheveronPhillipsChemical有限公司獲得的RytonPR-35。在氮氣氣氛下315.5°C測得的零粘度為1000[P]。(B)混合金屬填料在本發(fā)明實施例中所用的混合金屬填料中，纖維狀金屬填料為具有40μm平均粒徑、2.5mm平均長度和62.5長徑比(長度/直徑)的鋁，且片狀金屬填料為具有350nm平均厚度、40μm平均長度和114長徑比(直徑/厚度)的鋁。(C)低熔點金屬本發(fā)明實施例中所用的低熔點金屬為具有錫作為主要組分的錫/鋁低熔點金屬。具體地，使用固相線溫度為228°C的錫/鋁固溶體，其中錫含量為99.7重量％且鋁含量為0.3重量％。實施例16使用上述構(gòu)成組分，具有表1中實施例16所示配方的導(dǎo)熱聚合物組合物使用諸如雙螺桿擠出機或注射機等制備聚合物組合物所用的常規(guī)方法制備。熱導(dǎo)率通過保護熱流法(guardedheatflowmethod)測定，且機械性質(zhì)基于ASTMD790測定。結(jié)果顯示在表1中。[表1](單位體積％)實施例<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>比較例16除含上述構(gòu)成組分外還含碳纖維、石墨或鋁粉的聚合物組合物使用諸如雙螺桿擠出機或注射機等制備聚合物組合物所用的常規(guī)方法制備。它們的具體配方、熱導(dǎo)率和機械性質(zhì)顯示在表2中。熱導(dǎo)率和機械強度使用與實施例16相同的方式測定。[表2](單位體積％)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>1)具有11μm直徑和6mm長度的浙青類碳纖維2)具有80μm平均粒徑的人造石墨3)具有40μm平均粒徑的鋁粉從以上結(jié)果可知，當包含較多纖維狀鋁時，諸如撓曲模量或撓曲強度等機械性質(zhì)經(jīng)評價為優(yōu)。通過增加低熔點金屬的含量，使填料之間的接觸效率最大化，因此對熱導(dǎo)率具有正面影響。同時，對于熱導(dǎo)率，經(jīng)評價當纖維狀和片狀鋁的體積比為55時，熱導(dǎo)率為最佳。在優(yōu)選作為常規(guī)導(dǎo)熱填料的碳纖維的情況中，結(jié)果顯示機械性質(zhì)優(yōu)異，但熱導(dǎo)率降低。在石墨的情況中，熱導(dǎo)率優(yōu)異，但機械性質(zhì)顯著惡化。在石墨的情況中，也熟知聚合物組合物的粘度增加，這引起吸食。因此，通過使用本發(fā)明的混合金屬填料和低熔點金屬來使導(dǎo)熱填料之間的接觸最大化，可獲得在相對低含量導(dǎo)熱填料時具有優(yōu)異熱導(dǎo)率的聚合物組合物，因此解決了常規(guī)導(dǎo)熱聚合物的高粘度的問題。另外，通過以導(dǎo)熱填料形式有效地組合，本發(fā)明通過不使用石墨類導(dǎo)熱填料來克服低強度和解決諸如吸食等問題。雖然已出于說明性目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白在不背離所附權(quán)利要求中公開的本發(fā)明范圍和精神下，可進行各種修改、添加和替代。權(quán)利要求一種導(dǎo)熱聚合物組合物，包含30～85體積％的結(jié)晶聚合物樹脂；5～69體積％的混合金屬填料；和1～10體積％的低熔點金屬，所述低熔點金屬的固相線溫度低于所述結(jié)晶聚合物樹脂的熔點溫度。2.如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中所述結(jié)晶聚合物樹脂為選自由聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PA)、間規(guī)聚苯乙烯(sPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)組成的組中的至少一種。3.如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中所述混合金屬填料由纖維狀金屬填料和片狀金屬填料組成。4.如權(quán)利要求3所述的聚合物組合物，包含比例(體積比)為9119的所述纖維狀金屬填料和所述片狀金屬填料。5.如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中所述混合金屬填料的金屬包括鋁、銅、鋅、鎂、鎳、銀、鉻、鐵、鉬、不銹鋼或它們的混合物。6.如權(quán)利要求3所述的聚合物組合物，其中所述纖維狀金屬填料具有1010，000的長徑比(長度/直徑)。7.如權(quán)利要求3所述的聚合物組合物，其中所述片狀金屬填料具有10100，000的長徑比(長度/厚度)。8.如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中所述低熔點金屬為由兩種或更多種金屬元素組成的金屬固溶體。9.如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中所述低熔點金屬為由兩種或更多種金屬制備的金屬固溶體，所述金屬選自由錫、鉍、鉛、銅、鋁、鎳或銀組成的組中。10.一種模制品，由權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱聚合物組合物制成。全文摘要本發(fā)明提供了一種導(dǎo)熱聚合物組合物，所述導(dǎo)熱聚合物組合物通過有效組合導(dǎo)熱填料而在金屬填料含量低時具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率，并能增強機械強度。所述聚合物組合物包含30～85體積％的結(jié)晶聚合物樹脂、5～69體積％的混合金屬填料和1～10體積％的低熔點金屬。文檔編號C08L101/00GK101827894SQ200780101161公開日2010年9月8日申請日期2007年12月31日優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日發(fā)明者洪彰敏,金成俊申請人:第一毛織株式會社