一種高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料及 其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] LED具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、而且工作電壓低、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu) 點(diǎn)，被公認(rèn)為下一代照明技術(shù)。但是，LED有70%之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致工作溫度過(guò) 高，過(guò)高的工作溫度進(jìn)而導(dǎo)致芯片老化、光效能衰減和使用壽命縮短等問(wèn)題。因此，散熱問(wèn) 題已成為L(zhǎng)ED照明發(fā)展的一個(gè)瓶頸。隨著環(huán)境、能源等問(wèn)題對(duì)人類生存的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，世界 范圍內(nèi)都在為節(jié)能、降耗和減排尋找突破口，LED以其節(jié)能的優(yōu)勢(shì)被推上重要發(fā)展的位置， 因此，解決散熱問(wèn)題將能夠促進(jìn)LED照明，特別是大功率LED照明的發(fā)展，從而為全球節(jié)能 降耗及可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。目前，對(duì)于散熱問(wèn)題，人們從熱輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等幾個(gè)方面 開(kāi)展應(yīng)用技術(shù)的研宄，提出了許多新的設(shè)計(jì)理念和產(chǎn)品，主要從結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料兩個(gè) 方面來(lái)解決該問(wèn)題。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，包括芯片結(jié)構(gòu)、基座結(jié)構(gòu)、翅片散熱、添加熱管散熱器等 方式能夠顯著促進(jìn)LED燈具的散熱；從材料選擇上，要同時(shí)兼顧制造成本和導(dǎo)熱系數(shù)，因此 多采用鋁作為制造材料，例如，基于鋁基板的襯底材料、以粉末冶金壓鑄鋁材料作為基座材 料、以金屬鋁作為翅片散熱材料以及鋁型材拉伸加工的散熱材料等。在LED發(fā)展中，其加工 成本、生產(chǎn)效率也是重要的發(fā)展方向，如基座的生產(chǎn)，傳統(tǒng)的粉末冶金壓鑄鋁材料制備LED 燈基座雖然具有良好的導(dǎo)熱散熱功能，但存在成本高、質(zhì)量重、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，目前已 經(jīng)被許多塑料基座所替代。塑料基座一般采用注塑工藝制備，成本低、質(zhì)量輕、生產(chǎn)效率高 以及制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件容易等特點(diǎn)，已成為L(zhǎng)ED燈基座發(fā)展的主流。但塑料材料的導(dǎo)熱系 數(shù)遠(yuǎn)低于鋁的到熱系數(shù)，加大了 LED照明的散熱問(wèn)題，成為限制其應(yīng)用的一個(gè)最主要的問(wèn) 題。為了解決塑料基座的散熱問(wèn)題，人們發(fā)明了導(dǎo)熱塑料，即將具有高導(dǎo)熱系數(shù)的填料與塑 料基體復(fù)合，從而使塑料具有一定的導(dǎo)熱系數(shù)。采用導(dǎo)熱塑料在一定程度上增加了基座的 導(dǎo)熱系數(shù)，增加了系統(tǒng)的散熱，但仍然存在一定問(wèn)題，導(dǎo)熱塑料利用其導(dǎo)熱性能將燈內(nèi)的熱 量傳遞到基座表面，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)或?qū)α鲗崃總鬟f給外界的空氣，這一過(guò)程中基座與 外界空氣間的傳熱成為重要的一環(huán)，雖然具有高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱塑料能夠?qū)崃總鬟f到基 座表面，但基座表面與空氣的對(duì)流傳熱效率低，導(dǎo)致熱量聚集在基座表面，造成基座溫度升 高。因此，采用導(dǎo)熱塑料作為基座的LED照明系統(tǒng)中，不僅要增加塑料基體的導(dǎo)熱系數(shù)，還 必須提高基座表面與空氣的傳熱效率，目前，解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要有兩個(gè)：1)在基座 表面增加翅片或凹槽結(jié)構(gòu)，增大散熱面積同時(shí)存進(jìn)空氣對(duì)流傳熱；2)在基座表面涂裝具有 散熱功能的涂料，如專利201010514156. 3 -種用于LED燈的散熱涂料，其具有高輻射降溫 性能，將其涂裝的基座表面，能夠通過(guò)輻射方式傳遞熱量，降低散熱杯、鋁基板、燈罩表面溫 度，達(dá)到降溫效果。采用這兩種方法都存在一定問(wèn)題，增加翅片或凹槽增加制造成本，同時(shí) 造成灰塵的積累，難以清掃。而采用導(dǎo)熱涂料涂裝，生產(chǎn)效率低，同時(shí)涂料應(yīng)用中存在大量 溶劑，造成環(huán)境污染，此外在使用過(guò)程中，燈罩的高低溫變化容易導(dǎo)致涂料的脫落。
[0003] 針對(duì)上述各種方法在解決傳熱問(wèn)題存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種既具有高導(dǎo)熱 系數(shù)，又具有輻射傳熱功能的尼龍復(fù)合材料，從而實(shí)現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的有效傳熱，提高其使 用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高導(dǎo)熱高散 熱尼龍復(fù)合材料的制備方法。該復(fù)合材料的制備方法克服了上述各種方法特別是涂裝散熱 涂料法的缺點(diǎn)，能夠有效的降低成本、提高生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)任何危害，制備得到高 效導(dǎo)熱散熱復(fù)合材料。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備方法獲得的高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料。主 要是指該復(fù)合材料中既具有高導(dǎo)熱性填料，又具有輻射散熱的功能填料，且具有輻射功能 的填料經(jīng)特殊表面改性及加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)其在復(fù)合材料表面富集，這樣導(dǎo)熱粒子負(fù)責(zé)將熱量 傳遞到基座表面，而具有輻射散熱功能粒子負(fù)責(zé)將熱量散發(fā)到外界環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的 有效降溫。
[0006] 本發(fā)明的再一目的在于提供上述高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料的應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明的目的通過(guò)下述的方法實(shí)現(xiàn)：本發(fā)明是利用導(dǎo)熱填料和輻射散熱的功能粒 子復(fù)合，通過(guò)顆粒尺寸以及表面改性的實(shí)現(xiàn)輻射散熱功能粒子在表面的富集，形成輻射散 熱層，其原理是通過(guò)輻射散熱功能粒子的超細(xì)化處理以及利用低表面能的處理劑處理實(shí)現(xiàn) 在復(fù)合材料制備過(guò)程中散熱粒子由于低表面能作用向復(fù)合材料表面的部分聚集，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱 塑料表面的輻射散熱層，本發(fā)明在復(fù)合材料的擠出及注塑過(guò)程中即可實(shí)現(xiàn)輻射散射粒子在 材料表面的部分聚集，從而實(shí)現(xiàn)顆粒大的導(dǎo)熱填料用于傳熱，而輻射散熱粒子用于輻射散 熱的功能，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0008] -種高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：將導(dǎo)熱填料采用表 面改性劑I進(jìn)行表面有機(jī)化改性處理，獲得改性后的導(dǎo)熱填料；將輻射散熱粒子采用表面 活性劑II進(jìn)行表面有機(jī)化改性處理，獲得改性后的輻射散熱粒子；將改性后的導(dǎo)熱填料、 改性后的輻射散熱粒子、尼龍粒子、潤(rùn)滑劑、阻燃劑按照質(zhì)量份20~50 :5~20 :40~60 : 0. 3~2 :5~10經(jīng)熔融共混復(fù)合、造粒后得到復(fù)合材料。
[0009] 所述的將導(dǎo)熱填料采用表面改性劑I進(jìn)行表面有機(jī)化改性處理，具體步驟為：將 導(dǎo)熱填料加入到高速混合機(jī)中，將多表面改性劑I以噴霧的形式緩慢均勻加入，逐步升溫 100~120°C，600轉(zhuǎn)/分鐘下高速攪拌5分鐘實(shí)現(xiàn)表面有機(jī)化改性，獲得改性后的導(dǎo)熱填 料；
[0010] 所述的將輻射散熱粒子采用表面活性劑II進(jìn)行表面有機(jī)化改性處理，具體步驟 為：將輻射散熱粒子加入到高速混合機(jī)中，將多表面改性劑II以噴霧的形式緩慢均勻加 入，逐步升溫100~120°c，600轉(zhuǎn)/分鐘下高速攪拌5分鐘實(shí)現(xiàn)表面有機(jī)化改性，獲得改性 后的福射散熱粒子。
[0011] 所述的導(dǎo)熱填料為氧化鎂、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼或碳化硅中的一種或多種，優(yōu) 選為氧化鎂、氧化鋁或氮化鋁中的一種或多種復(fù)合物；
[0012] 所述的導(dǎo)熱填料的平均粒徑為5~20um。
[0013] 所述方法中，所述的輻射散熱粒子為重晶石粉、氧化鈹、氧化鋅或石墨烯微晶中的 一種或多種的復(fù)合物；
[0014] 所述的輻射散熱粒子的平均粒徑為50~200納米；
[0015] 所述的表面改性劑I為硅烷偶聯(lián)劑Y _縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560) 或y-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550);
[0016] 所述的表面改性劑II為Y -氨丙基三乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十八 烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷或十七氟癸烷三甲 氧基硅烷中的一種或兩種復(fù)合，優(yōu)選為十八烷基三甲氧基硅烷和十三氟辛基三甲氧基硅 燒；
[0017] 所述的熔融共混復(fù)合為通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混復(fù)合。
[0018] 所述的熔融共混復(fù)合所用的溫度為250°C。
[0019] -種高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料由上述制備方法獲得。
[0020] 上述的高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料在制備LED燈基座，以及電子、通訊、航空航天 領(lǐng)域中應(yīng)用。
[0021] 具有高導(dǎo)熱高散熱復(fù)合材料除應(yīng)用與LED燈外，在散熱要求高的領(lǐng)域如電子、通 訊、航空航天等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，同時(shí)為高性能導(dǎo)熱塑料的制備提供了新的思路。
[0022] 本發(fā)明的高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料主要是指該復(fù)合材料中既具有高導(dǎo)熱性填 料，又具有輻射散熱的功能填料，且具有輻射功能的填料經(jīng)特殊表面改性及加工過(guò)程實(shí)現(xiàn) 其在復(fù)合材料表面富集，這樣導(dǎo)熱粒子負(fù)責(zé)將熱量傳遞到基座表面，而具有輻射散熱功能 粒子負(fù)責(zé)將熱量散發(fā)到外界環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效降溫。該復(fù)合材料克服了上述各種 方法特別是涂裝散熱涂料法的缺點(diǎn)，能夠有效的降低成本、提高生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)任 何危害，制備得到高效導(dǎo)熱散熱復(fù)合材料。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1)本發(fā)明中復(fù)合材料的制備方法為傳統(tǒng)的雙螺桿擠出法，制備LED燈基座也是采 用傳統(tǒng)的注塑法，與涂裝法相比，操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高、同時(shí)避免了溶劑的使用，對(duì)環(huán)境無(wú) 不良影響。
[0025] 2)本發(fā)明中復(fù)合材料中導(dǎo)熱層和輻射散熱層為一體材料，與涂裝法制備的兩層材 料相比，牢固度高，不易分離剝落，使用壽命長(zhǎng)。
[0026] 3)復(fù)合材料中既具有高導(dǎo)熱系數(shù)，又具有向外輻射散熱功能，能夠有效地將LED 燈產(chǎn)生的熱量散發(fā)的外界空氣中，從而降低了燈基座的表面溫度，提高燈具的使用壽命。
[0027] 4)通過(guò)改變導(dǎo)熱粒子和輻射散熱粒子的種類、含量和比例，能夠?qū)?fù)合材料的成 本、導(dǎo)熱系數(shù)和散熱能力實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)控，拓展了復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
[0028] 5)本發(fā)明所制備的具有高導(dǎo)熱高散熱復(fù)合材料除應(yīng)用與LED燈外，在散熱要求高 的領(lǐng)域如電子、通訊、航空航天等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，同時(shí)為高性能導(dǎo)熱塑料的制備提供了 新的思路。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明中高導(dǎo)熱高散熱尼龍復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 1-尼龍基體，2-導(dǎo)熱填料，3-輻射散熱粒子，4-導(dǎo)熱層，5