一種高導熱高散熱尼龍復合材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高分子材料技術領域，本發明涉及一種高導熱高散熱尼龍復合材料及 其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] LED具有體積小、重量輕、結構堅固、而且工作電壓低、使用壽命長、節能環保等優 點，被公認為下一代照明技術。但是，LED有70%之多的電能轉化為熱能，導致工作溫度過 高，過高的工作溫度進而導致芯片老化、光效能衰減和使用壽命縮短等問題。因此，散熱問 題已成為LED照明發展的一個瓶頸。隨著環境、能源等問題對人類生存的嚴重挑戰，世界 范圍內都在為節能、降耗和減排尋找突破口，LED以其節能的優勢被推上重要發展的位置， 因此，解決散熱問題將能夠促進LED照明，特別是大功率LED照明的發展，從而為全球節能 降耗及可持續發展做出貢獻。目前，對于散熱問題，人們從熱輻射、傳導和對流等幾個方面 開展應用技術的研宄，提出了許多新的設計理念和產品，主要從結構結構設計和材料兩個 方面來解決該問題。從結構設計上，包括芯片結構、基座結構、翅片散熱、添加熱管散熱器等 方式能夠顯著促進LED燈具的散熱；從材料選擇上，要同時兼顧制造成本和導熱系數，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發展中，其加工 成本、生產效率也是重要的發展方向，如基座的生產，傳統的粉末冶金壓鑄鋁材料制備LED 燈基座雖然具有良好的導熱散熱功能，但存在成本高、質量重、生產效率低等問題，目前已 經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、質量輕、生產效率高 以及制備復雜結構制件容易等特點，已成為LED燈基座發展的主流。但塑料材料的導熱系 數遠低于鋁的到熱系數，加大了 LED照明的散熱問題，成為限制其應用的一個最主要的問 題。為了解決塑料基座的散熱問題，人們發明了導熱塑料，即將具有高導熱系數的填料與塑 料基體復合，從而使塑料具有一定的導熱系數。采用導熱塑料在一定程度上增加了基座的 導熱系數，增加了系統的散熱，但仍然存在一定問題，導熱塑料利用其導熱性能將燈內的熱 量傳遞到基座表面，然后通過熱傳導或對流將熱量傳遞給外界的空氣，這一過程中基座與 外界空氣間的傳熱成為重要的一環，雖然具有高導熱系數的導熱塑料能夠將熱量傳遞到基 座表面，但基座表面與空氣的對流傳熱效率低，導致熱量聚集在基座表面，造成基座溫度升 高。因此，采用導熱塑料作為基座的LED照明系統中，不僅要增加塑料基體的導熱系數，還 必須提高基座表面與空氣的傳熱效率，目前，解決這個問題的方法主要有兩個：1)在基座 表面增加翅片或凹槽結構，增大散熱面積同時存進空氣對流傳熱；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，能夠通過輻射方式傳遞熱量，降低散熱杯、鋁基板、燈罩表面溫 度，達到降溫效果。采用這兩種方法都存在一定問題，增加翅片或凹槽增加制造成本，同時 造成灰塵的積累，難以清掃。而采用導熱涂料涂裝，生產效率低，同時涂料應用中存在大量 溶劑，造成環境污染，此外在使用過程中，燈罩的高低溫變化容易導致涂料的脫落。
[0003] 針對上述各種方法在解決傳熱問題存在的缺點，本發明提供了一種既具有高導熱 系數，又具有輻射傳熱功能的尼龍復合材料，從而實現LED照明系統的有效傳熱，提高其使 用壽命。
【發明內容】
[0004] 為克服上述現有技術的缺點和不足，本發明的首要目的在于提供一種高導熱高散 熱尼龍復合材料的制備方法。該復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，能夠有效的降低成本、提高生產效率，同時對環境無任何危害，制備得到高 效導熱散熱復合材料。
[0005] 本發明的另一目的在于提供上述制備方法獲得的高導熱高散熱尼龍復合材料。主 要是指該復合材料中既具有高導熱性填料，又具有輻射散熱的功能填料，且具有輻射功能 的填料經特殊表面改性及加工過程實現其在復合材料表面富集，這樣導熱粒子負責將熱量 傳遞到基座表面，而具有輻射散熱功能粒子負責將熱量散發到外界環境中，實現對系統的 有效降溫。
[0006] 本發明的再一目的在于提供上述高導熱高散熱尼龍復合材料的應用。
[0007] 本發明的目的通過下述的方法實現：本發明是利用導熱填料和輻射散熱的功能粒 子復合，通過顆粒尺寸以及表面改性的實現輻射散熱功能粒子在表面的富集，形成輻射散 熱層，其原理是通過輻射散熱功能粒子的超細化處理以及利用低表面能的處理劑處理實現 在復合材料制備過程中散熱粒子由于低表面能作用向復合材料表面的部分聚集，實現導熱 塑料表面的輻射散熱層，本發明在復合材料的擠出及注塑過程中即可實現輻射散射粒子在 材料表面的部分聚集，從而實現顆粒大的導熱填料用于傳熱，而輻射散熱粒子用于輻射散 熱的功能，復合材料的結構如圖1所示。
[0008] -種高導熱高散熱尼龍復合材料的制備方法，包括以下步驟：將導熱填料采用表 面改性劑I進行表面有機化改性處理，獲得改性后的導熱填料；將輻射散熱粒子采用表面 活性劑II進行表面有機化改性處理，獲得改性后的輻射散熱粒子；將改性后的導熱填料、 改性后的輻射散熱粒子、尼龍粒子、潤滑劑、阻燃劑按照質量份20~50 :5~20 :40~60 : 0. 3~2 :5~10經熔融共混復合、造粒后得到復合材料。
[0009] 所述的將導熱填料采用表面改性劑I進行表面有機化改性處理，具體步驟為：將 導熱填料加入到高速混合機中，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/分鐘下高速攪拌5分鐘實現表面有機化改性，獲得改性后的導熱填 料；
[0010] 所述的將輻射散熱粒子采用表面活性劑II進行表面有機化改性處理，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/分鐘下高速攪拌5分鐘實現表面有機化改性，獲得改性 后的福射散熱粒子。
[0011] 所述的導熱填料為氧化鎂、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼或碳化硅中的一種或多種，優 選為氧化鎂、氧化鋁或氮化鋁中的一種或多種復合物；
[0012] 所述的導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合，優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] 所述的熔融共混復合為通過雙螺桿擠出機熔融共混復合。
[0018] 所述的熔融共混復合所用的溫度為250°C。
[0019] -種高導熱高散熱尼龍復合材料由上述制備方法獲得。
[0020] 上述的高導熱高散熱尼龍復合材料在制備LED燈基座，以及電子、通訊、航空航天 領域中應用。
[0021] 具有高導熱高散熱復合材料除應用與LED燈外，在散熱要求高的領域如電子、通 訊、航空航天等領域具有應用潛力，同時為高性能導熱塑料的制備提供了新的思路。
[0022] 本發明的高導熱高散熱尼龍復合材料主要是指該復合材料中既具有高導熱性填 料，又具有輻射散熱的功能填料，且具有輻射功能的填料經特殊表面改性及加工過程實現 其在復合材料表面富集，這樣導熱粒子負責將熱量傳遞到基座表面，而具有輻射散熱功能 粒子負責將熱量散發到外界環境中，實現對系統的有效降溫。該復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，能夠有效的降低成本、提高生產效率，同時對環境無任 何危害，制備得到高效導熱散熱復合材料。
[0023] 本發明與現有的技術相比具有如下的優點：
[0024] 1)本發明中復合材料的制備方法為傳統的雙螺桿擠出法，制備LED燈基座也是采 用傳統的注塑法，與涂裝法相比，操作簡便、生產效率高、同時避免了溶劑的使用，對環境無 不良影響。
[0025] 2)本發明中復合材料中導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。
[0026] 3)復合材料中既具有高導熱系數，又具有向外輻射散熱功能，能夠有效地將LED 燈產生的熱量散發的外界空氣中，從而降低了燈基座的表面溫度，提高燈具的使用壽命。
[0027] 4)通過改變導熱粒子和輻射散熱粒子的種類、含量和比例，能夠對復合材料的成 本、導熱系數和散熱能力實現有效的調控，拓展了復合材料的應用范圍。
[0028] 5)本發明所制備的具有高導熱高散熱復合材料除應用與LED燈外，在散熱要求高 的領域如電子、通訊、航空航天等領域具有應用潛力，同時為高性能導熱塑料的制備提供了 新的思路。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明中高導熱高散熱尼龍復合材料的結構示意圖。
[0030] 1-尼龍基體，2-導熱填料，3-輻射散熱粒子，4-導熱層，5