一种快速成型高导热尼龙复合材料、制备方法及其应用与流程

本发明涉及高分子材料，特别是涉及一种快速成型高导热尼龙复合材料、制备方法及其应用。

背景技术：

1、1998年coolpolymer公司(2014年被美国塞拉尼斯收购)首先将具有导热性能的导热塑料实现商业化，并逐渐将其应用于照明、汽车、电子电力、医用设备等，导热塑料主要成分包括基体材料和填料，基体材料包括pps、pa6/pa66、lcp、tpe、pc、pp、ppa、peek等；填料包括ain、sic、al2o3、石墨、纤维状高导热碳粉、鳞片状高导热碳粉等。

2、传统散热设备多以铝、钢、铜等金属材料，这些材料虽然具有较高的导热系数，但是由于比重大、易腐蚀、成型加工困难、价格高等缺点，使其在实际传热应用过程中存在一定的局限性，综合性能已不能满足日益发展的工业生产和科学技术需求；导热塑料因热导率可调及加工成型方便等优点，近年来得到迅猛发展，逐步取代金属制品。

3、目前市场上导热塑料普遍存在一个问题，即导热系数偏低，添加量偏高，以尼龙pa6/pa66导热产品为例，其导热系数基本在2～15w/m.k之间(纯尼龙pa原料的导热系数是0.25w/m.k)，导热材料添加量通常在50～60％之间，同时物性偏低，后续成型加工困难，产品表面相对较差，只能满足一些中低端要求的产品。

4、为了进一步提高导热率，只能借助于拉高导热材料的添加量，导热填料通常要添加至60％，甚至更高，如此高的填充率不仅会造成共混时挤出造粒困难，而且注塑成型时甚至打不满产品，很大程度上限制了散热塑料的推广应用。因此，未来亟需加强导热填充材料体系的深入研究，力求开发出尽可能满足高导热低填充的效果，同时对材料整体物理性能损害尽可能低；后续随着材料制备、复合技术和加工工艺的不断进步，兼具导热性能和力学性能的散热塑料在各行各业的应用需求会越来越多。

技术实现思路

1、本发明主要解决的技术问题是提供一种快速成型的高导热尼龙复合材料，流动方向导热系数达到20～25w/m.k，纵向导热系数不低于2.5w/m.k，同时成型时间小于20秒，很好的满足客户全自动生产线快速成型要求，同时物理性能、强度和韧性较佳。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种快速成型高导热尼龙复合材料，包括如下重量份数计的组分：

3、

4、本发明在开发过程中，需要解决一系列问题：首先是高导热高填充和加工难度的平衡问题，其导热填料的选择至关重要，很多导热填料的添加量高且导热效率低，现有技术中很多公开技术选择在配方中加入接枝剂/偶联剂来处理导热填料，但是导热效果提高有限，原因是助剂添加量通常＜1％，进一步考虑到导热填料的比例通常是大于50％，因此选用高效的导热填料才是抓住重点，高效导热填料不仅可以降低添加量，节约成本，而且有利于加工，同时兼顾快速成型和产品表面质量问题，在配方体系选取时需充分平衡配方的流动性和结晶性，本发明综合考虑上述各因素，进行反复大量的试验，初步确定上述导热复配体系。

5、优选的，上述尼龙树脂的相对粘度介于2.4～3.4，且包括至少两种粘度不同的尼龙树脂。

6、优选的，上述石墨粉选用碳含量大于90％的天然鳞片石墨和水平方向导热系数不低于500w/m.k的膨化球形石墨的复配物，两者的重量占比介于1:5～5:1之间。

7、基于上述方案，鳞片结构粒径比较细，流动穿插性更好；膨化石墨粒径比较大且具有一定的空间立体结构，可以搭建成导热“空中走廊”，同时膨化石墨经过压缩再研磨处理，本身粒径结构密实，导热效果大增，二者配合使用，既有横向延伸，又有纵向的扩展，纵横交错，产生很好的协同效果。

8、优选的，上述膨化球形石墨为采用上述天然鳞片石墨与高氧化性酸混合，形成夹层化合物，通过施加高温膨胀，得到微观疏松多孔的蠕虫状结构，膨胀后的石墨颗粒继续被机械的压缩成石墨薄片，其中没有添加任何填料或者粘合剂，将石墨薄片研磨成粉，即为本配方中所使用的膨化球形石墨。

9、优选的，所述天然鳞片石墨中90％的石墨鳞片粒径不低于300um，导热系数为190w/m.k，所述膨化球形石墨中50％的石墨粒径不低于500um。

10、优选的，所述玻璃纤维选用无碱短切原丝，长度介于3.0～4.5mm。

11、优选的，所述复合辅助改性助剂由抗氧剂1098、抗氧剂168、润滑剂、表面活性剂、成核剂、高效流动改性助剂中的一种或者几种组成。

12、基于上述方案，这些助剂复配和熔融的尼龙树脂一道，确保了石墨粉填料能够快速均匀充满模腔，快速结晶，缩短成型时间，同时保证了材料的物理性能和良好的表面。

13、为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种快速成型高导热尼龙复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

14、(1)按照重量份称取各组分：尼龙树脂、石墨粉、玻璃纤维和复合辅助改性助剂；

15、(2)将上述称量好的尼龙树脂、石墨粉和复合辅助改性助剂，经过高混机混合均匀，得到预混物，所述高混机的转速介于75～110rpm/min；高速混料机可以很好把两种导热粉充分分散，互为穿插，对产品导热均一性至关更要。

16、(3)将上述预混物投入至双螺杆挤出机的进料斗中，同时玻璃纤维单独经过侧喂料加入；

17、(4)进而通过同向双螺杆挤出机进行熔融共混、挤出、冷却造粒，即得出本发明的高导热尼龙复合材料。

18、优选的，上述第(4)步中的冷却造粒采用冷却链输送造粒方式，料条在空气中自然风冷，且不接触任何水分。

19、为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种快速成型高导热尼龙复合材料在对散热性能要求高的大功率矿灯、汽车led大灯、户外投光灯和商用par灯里散热部件中的应用。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明创造性的引入两种结构类型的石墨粉，相互穿插互为补充，鳞片结构粒径比较细，流动穿插性更好，膨化石墨粒径比较大，且具有一定的空间立体结构，可以搭建成导热“空中走廊”，加上膨化石墨后续经过压缩再研磨处理，本身粒径结构密实，导热效果大增，二者配合使用，产生1+1＞2的效果，即使复合添加量的质量份数只有39份，流动方向的导热系数已经达到了惊人的22w/m.k，远远高于现有导热塑料的性能，优势非常明显；

22、2、本发明在优选了导热填料的基础上，通过大量实验和摸索调整其他助剂及其含量范围，与熔融的尼龙树脂共同作用，确保石墨粉填料能够快速均匀充满模腔，同时保证材料的物理性能和优异的表面性能；

23、3、本发明在配方体系的基础上，进一步结合加工工艺的条件控制，一方面利用高速混料混料，确保物料充分混合均匀，同时高混机能够将导热粉充分分散开，互为穿插，这些处理方式对于产品最终物性至关重要；另一方面，本发明采用非常规冷却，利用金属链空气自然冷却，不接触任何水分，有效防止常规水冷方式中水分渗透到粒子内部，造成粒子空洞；同时易于牵条切粒，有效避免生产过程中断丝；

24、4、本发明开发的此种高导热尼龙复合材料，流动方向导热系数达到20～25w/m.k，纵向导热系数不低于2.5w/m.k，同时成型时间小于20秒，很好的满足客户全自动生产线快速成型要求，产品表面光洁，强度和韧性较佳，可以取代金属材料应用于高散热要求的散热、导热领域，比如用作对散热性能要求高的大功率工矿灯、汽车led大灯，户外投光灯和商照par灯的散热部件，具有非常好的技术推广价值和市场推广价值。