專利名稱:導熱性聚合物復合材料的制作方法
技術領域:
本發明涉及聚合物復合材料,且特別是涉及導熱性聚合物復合材料。
背景技術:
隨著科技的發達,電子產品越來越輕薄,此也造成產品的發熱密度越來越高,使得產品的散熱也相對重要。熱塑性聚合物具有容易加工成型且重量輕的優點,因此廣泛應用于電子產品中。但其熱傳導性質不佳,故無法使用于發熱密度高的產品中。因此,于聚合物基材中添加導熱性粉體填充物,形成導熱性聚合物復合材料,即可兼顧熱塑性聚合物與導熱性粉體填充物二者的優點。縱使添加越多的導熱性粉體填充物可提升導熱性聚合物復合材料的熱傳導系數,不過添加過量的導熱性粉體填充物,反而使得聚合物基材無法完全包覆導熱性粉體填充物,導致無法塑化的缺陷。其次,添加過量導熱性粉體填充物的導熱性聚合物復合材料,其流動阻力亦較大, 易造成不易加工的問題。再者,不規則型的導熱性粉體填充物亦常添加于導熱性聚合物復合材料中,以增加粉體填充物間的接觸面積,藉以提升熱傳導效率。然而,以較高添加量的不規則型導熱性粉體填充物所制成的導熱性復合材料因較不易流動,會造成加工時流動阻力增加,且不規則型的導熱性粉體填充物其表面銳角易磨損加工器具,造成器具損耗,降低機械器具壽命。另外,導熱性聚合物復合材料亦可藉由噴射成型技術制得導熱性聚合物復合材料成形品。簡言之,將聚合物復合材料的原料加入混煉機內,藉由螺桿的加熱攪拌,將原料熔融混煉;其后,再利用噴射成型步驟灌注至模具中,待其冷卻脫模后,即可簡便且快速獲得導熱性聚合物復合材料成形品。然而,倘若上述原料中添加不規則型的導熱性粉體填充物時,由于此等導熱性粉體填充物不易流動,導致無法使用噴射成型技術制作導熱性聚合物復合材料成形品,且其表面銳角易造成加工機器壁磨損,降低器具壽命。有鑒于此,亟需提供一種導熱性聚合物復合材料,以改善已知導熱性粉體填充物的添加量受限及其不規則外型等缺點,進而提供可噴射成型的導熱性聚合物復合材料。
發明內容
因此,本發明的一個方面是提供一種導熱性聚合物復合材料,其包含聚合物基材與30體積百分比(vol%)至80vol%的導熱性粉體填充物。此聚合物基材包含規則排列的復數個分子鏈,使導熱性粉體填充物排列有序且緊密以形成熱傳導路徑。如此以來,此聚合物復合材料可經由熔融混煉步驟制得,并可進一步通過噴射成型步驟而制得導熱性聚合物復合材料成型品,且其熱傳導系數達2.5ff/mK至4.6W/mK。根據本發明的上述方面,提出一種導熱性聚合物復合材料。在一實施例中,此導熱性聚合物復合材料包含聚合物基材與導熱性粉體填充物。其中聚合物基材的含量是20體積百分比(vol%)至70vol%,而導熱性粉體填充物的含量是30vol%至80vol%。此聚合物基材包含規則排列的復數個分子鏈,以形成復數個結晶區與非結晶區,且此聚合物基材包括液晶聚合物或聚乙烯。此導熱性聚合物復合材料的熱傳導系數為2.5W/mK至4.6ff/mK,且此導熱性聚合物復合材料可經由熔融混煉步驟制得。依據本發明一實施例,上述的聚合物基材的含量是20vol%至40vol%。依據本發明另一實施例,上述導熱性粉體填充物的含量是60vol%至80vol%。 依據本發明又一實施例,上述液晶聚合物進一步包含纖維材料,此纖維材料相對于液晶聚合物的重量分率是大于0且小于或等于0.3。此纖維聚合物材料是選自于由玻璃纖維、碳纖維以及上述的任意組合所組成的組。依據本發明再一實施例,上述導熱性粉體填充物的材料是選自于由氧化鋁、氮化鋁、碳粉、浙青粉、人工石墨粉、石墨化浙青粉、金屬粉以及上述任意組合所組成的組。依據又另一實施例,上述導熱性粉體填充物是排列于非結晶區中。依據再另一實施例,上述導熱性粉體填充物至少包含圓球型導熱性粉體填充物,且此圓球型導熱性粉體填充物的長徑比為1:1。依據另一實施例,上述的圓球型導熱性粉體填充物的平均粒徑為I微米至50微米。應用本發明的導熱性聚合物復合材料,其是利用聚合物基材中規則排列的復數個分子鏈,使導熱性粉體填充物排列有序且緊密以形成熱傳導路徑。如此以來,此聚合物復合材料可經由熔融混煉的步驟而制得,且其熱傳導系數達2.5ff/mK至4.6W/mK。
為讓本發明的上述和其它目的、特征、優點與實施例能更明顯易懂,所附附圖的說明如下:圖1是顯示根據本發明一實施例的球形氧化鋁粉(P-06)的掃描式電子顯微鏡圖。圖2是顯示現有技術的煅燒級氧化鋁粉(AM-21)的掃描式電子顯微鏡圖。
具體實施例方式以下仔細討論本發明實施例的制造和使用。然而,可以理解的是,實施例提供許多可應用的發明概念,其可實施于各式各樣的特定內容中。所討論的特定實施例僅供說明,并非用以限定本發明的范圍。本發明提供導熱性聚合物復合材料。在一實施例中,此導熱性聚合物復合材料包含聚合物基材與導熱性粉體填充物。在一例示中,聚合物基材的含量是20體積百分比(vol% )至70vol%,而導熱性粉體填充物的含量是30vol%至80vol%。在另一例示中,聚合物基材的含量是20vol %至40vol %,且導熱性粉體填充物的含量是60vol %至80vol %。在一實施例中,上述的導熱性聚合物基材包含規則排列的復數個分子鏈,且此聚合物基材的材料包括液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer ;LCP)或聚乙烯。上述液晶聚合物材料可使用任何已知或市售可得的產品,此為本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者所熟知,故此處不另贅言。上述的聚乙烯材料是高密度聚乙烯(High DensityPolyethylene ;HDPE),且其密度是 0.94 克 / 立方厘米(g/cm3)至 0.97g/cm3。此外,上述的液晶聚合物材料中更可選擇性地包含纖維材料。在一例示中,此纖維材料相對于液晶聚合物材料的重量分率是大于0且小于或等于30,且此纖維材料包含玻璃纖維、碳纖維、其它合適的纖維材料或以上材料的組合。
在一實施例中,上述的導熱性粉體填充物包含氧化鋁、氮化鋁、碳粉、浙青粉、人工石墨粉、石墨化浙青粉、金屬粉、其它合適的導熱性粉體填充物或上述材料的任意組合。在其它實施例中,此導熱性粉體填充物更可選擇性地包含長徑比為1:1的圓球型導熱性粉體填充物。此圓球型導熱性粉體填充物的平均粒徑為I微米(U m)至50 y m,且圓球型導熱性粉體填充物于導熱性粉體填充物的體積分率是0.5至I。以下利用實施例以說明本發明的應用,然其并非用以限定本發明,本發明技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和范圍內,當可作各種的更動與潤飾。制備導熱性聚合物復合材料實施例1首先,設定塑譜儀(儀器型聚合物混煉機,Plast1-corder Plastograph,Brabender)的混合槽溫度,例如為350°C。當溫度到達設定值時,將25.0gLCP加入混合槽中,以40rpm的螺桿轉速,進行攪拌加熱。待其成為熔融狀后,加入75.0g球型氧化鋁粉(P-06)與熔融態的LCP混合。混合攪拌4分鐘后,取出熔融狀的導熱性聚合物復合材料,壓制成厚度3.4mm的導 熱性聚合物復合材料板片樣品。實施例2至實施例6 實施例2至實施例6是使用與實施例1相同的儀器與方法制備導熱性聚合物復合材料。不同的是,實施例2至實施例6是使用不同種類的聚合物基材與導熱性粉體填充物,并于不同的溫度下進行混煉,如表I所示。比較例1至比較例8比較例1至比較例8亦是使用與實施例1相同的儀器與方法制備導熱性聚合物復合材料。不同的是,比較例1至比較例8使用不同種類的聚合物基材與導熱性粉體填充物,并于不同的溫度下進行混煉,如表1所示。請參閱表1,其是根據本發明數個實施例與比較例的導熱性聚合物基材的組成、熱傳導系數及其外觀顏色。在表I中,實施例1至實施例6的聚合物基材LCP與HDPE具有規則排列的復數個分子鏈,而導熱性粉體填充物P-06、P-50與SMGP的外觀是圓球型。另夕卜,請參閱圖1,其是根據本發明一實施例的導熱性粉體填充物的掃描式電子顯微鏡圖。由圖1可觀察到,P-06確實具有圓球型的顆粒型態。請再參閱表1,相較于LCP與HDPE,比較例I所用的聚合物基材PP于其結晶區的分子鏈的規則排列較差,比較例2及比較例5至8所用的聚合物基材PC則不具有結晶性。另外,比較例3、4及比較例7、8所使用的導熱性粉體填充物AM-21與A-21,則是不規則型導熱性粉體填充物。另外,請參閱圖2,其是根據本發明比較例所用的導熱性粉體填充物的掃描式電子顯微鏡圖;由此可知,AM-21確實具有不規則銳角型的顆粒型態。評價方式1.熱傳導系數此導熱性聚合物復合材料的熱傳導系數是使用符合ASTM E1530保護熱流法(Guarded Heat Flow Meter Method)的儀器(Unitherm Model2022, Anter),于室溫下(例如:25°C至30°C ),測量厚度為3.4mm的導熱性聚合物復合材料板片樣品的熱傳導系數,其結果如表一所不。2.外觀顏色
相同于實施例1所使用的儀器與方法,進行聚合物基材與導熱性粉體填充物的混煉。在進行混煉過程后,藉由觀察所制得的復合材料的外觀顏色,判斷導熱性粉體填充物的外觀形狀與粒徑大小對于機具的磨損程度。請參閱表I。首先,相較于比較例I與比較例2,實施例1與實施例2的聚合物基材LCP與HDPE因具有可規則排列的復數個分子鏈,可于所制得的導熱性聚合物復合材料中有效形成復數個結晶區與非結晶區,并使得導熱性粉體填充物于非結晶區中較有序且緊密地排列,以形成有效的熱傳導路徑。其次,實施例1的圓球型導熱性粉體填充物容易被聚合物基材完全包覆,輕易塑化并經由熔融混煉的步驟而制得導熱性聚合物復合材料。值得一提的是,比較例3的不規則型導熱性粉體填充物于導熱性聚合物復合材料的體積分率雖然相等于實施例5與實施例6,但仍無法塑化。而在比較例4中,雖然導熱性粉體填充物于導熱性聚合物復合材料的體積分率遠低于實施例5、實施例6與比較例3,但于混煉時熔融狀LCP仍無法與不規則型導熱性粉體填充物達成塑化。再者,在實施例3至實施例6中,同時使用具規則排列的復數個分子鏈的聚合物基材與圓球型導熱性粉體填充物時,更可確實提升導熱性聚合物復合材料的熱傳導系數,且其熱傳導系數達2.5ff/mK至4.6W/mK。另外,在實施例1與實施例5中,隨著圓球型導熱性粉體填充物的添加量越多,熱傳導系數亦隨之提高。而且,在實施例5與實施例6中,當圓球型導熱性粉體填充物的平均粒徑越小時,可形成更緊密的排列,增加熱傳導路徑。請參閱表I。在比較例5至8中,使用PC與同體積分率而不同品級的氧化鋁進行混煉。由于所采用的氧化鋁原料都是 白色的,而PC為透明材料,因此在理想的情況下,以這些原料進行混煉后,所制得的導熱性聚合物復合材料也應是白色或是接近白色。比較例5所得的導熱性聚合物復合材料是乳白色。而在比較例6與比較例7中,由于分別使用粒徑較大(平均粒徑50 u m)的圓球型的P-50以及不規則型的AM-21 (平均粒徑m),所混煉出來的導熱性聚合物復合材料則是白灰色的。此一現象顯示,在混煉過程中,粒徑較大或不規則型的導熱性粉體填充物已對所接觸的混煉設備的金屬表面造成輕微的磨耗現象。在比較例8中,由于使用粒徑較大的不規則型的A-21 (平均粒徑50 y m)進行混煉,所制得的導熱性聚合物復合材料是灰黑色的,此代表粒徑較大且不規則型的導熱性粉體填充物對于混煉設備的金屬表面已造成明顯的磨耗。由于氧化鋁的硬度很高,形狀不規則的固體顆粒在混煉過程極易損傷加工機器的金屬器壁。而由上述導熱性聚合物復合材料的外觀顏色可知,當導熱性粉體填充物的外觀是圓球型且粒徑越小時,越不易磨損加工機具。綜合而言,具有規則排列的復數個分子鏈的聚合物基材有助于形成復數個結晶區與復數個非結晶區,使得導熱性粉體填充物緊密排列于非結晶區中,增加其熱傳導路徑,進而提升熱傳導效率。此外,使用圓球型導熱性粉體填充物有助于降低熔融狀的復合材料的流動阻力,除了可使其于混煉時輕易塑化,藉由噴射成型步驟制得導熱性聚合物復合材料成形品,且不易造成器壁的磨損,增加器具壽命。值得一提的是,使用平均粒徑較小的圓球型導熱性粉體填充物,且增加其添加量,所制得的導熱性聚合物復合材料的熱傳導系數達2.5ff/mK至
4.6ff/mKo
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其并非用以限定本發明,任何本領域技術人員,在不脫離本發明的精神和范圍內,當可作各種的更動與潤飾,因此本發明的保護范圍當視后附的申請專利范圍所界定者為準。
權利要求
1.導熱性聚合物復合材料,包含: 20體積百分比至70體積百分比的聚合物基材,其中該聚合物基材包含規則排列的復數個分子鏈,以形成復數個結晶區與復數個非結晶區,且該聚合物基材的材料包括液晶聚合物或聚乙烯;以及 30體積百分比至80體積百分比的導熱性粉體填充物;且 其中該導熱性聚合物復合材料的熱傳導系數是2.5ff/mK至4.6ff/mK,且該導熱性聚合物復合材料是經由熔融混煉步驟而制得。
2.權利要求1所述的導熱性聚合物復合材料,其中該聚合物基材的含量是20體積百分比至40體積百分比。
3.權利要求1所述的導熱性聚合物復合材料,其中該導熱性粉體填充物的含量是60體積百分比至80體積百分比。
4.權利要求1所述的導熱性聚合物復合材料,其中該液晶聚合物進一步包含纖維材料,該纖維材料相對于該液晶聚合物的重量分率是大于0且小于或等于0.3,且該纖維材料的材料是選自于由玻璃纖維、碳纖維以及上述的任意組合所組成的組。
5.權利要求1所述的導熱性聚合物復合材料,其中該聚乙烯是高密度聚乙烯,且該高密度聚乙烯的密度為0.94克/立方厘米至0.97克/立方厘米。
6.權利要求1所述的導熱性聚合物復合材料,其中該導熱性粉體填充物的材料是選自于由氧化鋁、氮化鋁、碳粉、浙青粉、人工石墨粉、石墨化浙青粉、金屬粉以及上述的任意組合所組成的組。
7.權利要求1所述的 導熱性聚合物復合材料,其中該導熱性粉體填充物至少包含圓球型導熱性粉體填充物。
8.權利要求7所述的導熱性聚合物復合材料,其中該圓球型導熱性粉體填充物的平均粒徑為I微米至50微米。
9.權利要求7所述的導熱性聚合物復合材料,其中該圓球型導熱性粉體填充物于該導熱性粉體填充物的體積分率是0.5至I。
全文摘要
本發明涉及導熱性聚合物復合材料,其包含聚合物基材與30體積百分比(vol%)至80vol%的導熱性粉體填充物。此聚合物基材包含規則排列的復數個分子鏈,使導熱性粉體填充物排列有序且緊密以形成熱傳導路徑。如此以來,此導熱性聚合物復合材料可經由噴射成型步驟而制得,且其熱傳導系數達2.5W/mK至4.6W/mK。
文檔編號C08K3/04GK103160134SQ20111043000
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者廖福森, 章明松, 許仁勇 申請人:中國鋼鐵股份有限公司