一种高导热尼龙复合材料的制备方法及应用

本发明涉及导热材料，尤其涉及一种高导热尼龙复合材料的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着5g时代的到来，新一代高度集成化，高功率的电子设备发展迅速。然而这些电子设备在运行过程中会积累大量的热量，如果热量无法及时散出，会对电子设备的安全性、使用寿命和性能造成严重负面影响。散热成为了影响器件使用效率和寿命的关键因素,这也给热管理材料的综合性能提出了更高的要求。一种理想的策略是将高导热填料与低密度、易加工的高分子聚合物结合起来，形成一种聚合物基导热绝缘复合材料来作为散热器。目前通用的制备方法是利用熔融共混、溶液共混等物理共混的方法，但填料的随机分布和无规排列限制了高分子导热复合材料的有效热传导，使得复合材料的实际导热系数跟预期相差甚远，因此填料的均匀分散和取向排列是获得高导热系数的关键。

2、尼龙6(nylon)是五大工程塑料之一,凭借质轻、强度大、容易成型加工等优良性能,作为制备商业设备如发动机、led、散热器的重要材质,广泛应用于5g通信，电子封装，能源传输等领域。目前关于尼龙导热复合材料的制备方式主要包括熔融或者溶液共混，制备具有隔离结构的尼龙导热复合材料以及在尼龙基体中构建三维导热网络。与其他聚合物基导热复合材料一样，物理共混得到的尼龙导热复合材料往往具有较低的导热系数。隔离结构虽然有助于导热通路的构筑,但是其机械性能往往较弱。三维导热网络能够在面内和面外两个方向为尼龙复合材料带来可观的传热能力，然而需要在三维导热骨架上面进行尼龙的原位聚合，面临过程复杂，分子量难以控制，重复性差等问题，很难进行高效生产。因此，能够通过取向结构获得兼具高导热性能和机械性能的尼龙复合材料是解决问题的关键。

3、熔融沉积（fdm）作为一种广泛使用的增材制造技术，利用聚合物基复合材料，能够实现复杂的几何定制和快速原型制造。fdm技术的持续发展突显了fdm打印聚合物基复合材料作为热管理材料对于包括航空航天和生物医学工程在内的多种应用的重要性。然而打印过程中尼龙6的翘曲以及较多孔隙的产生限制了复合材料导热性能的提升，一定程度上延缓了fdm在尼龙基热管理材料领域的发展。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种高导热尼龙复合材料的制备方法及应用。

2、为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种高导热尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、a、将尼龙6、纳米碳纤维与酸酐改性乙烯基共聚物混匀，真空干燥得到混合物；

5、b、将步骤a得到的混合物经挤出造粒、挤出牵丝，再经熔融沉积，即得高导热尼龙复合材料。

6、在一些实施例中，在步骤a中，以原料总重量的百分含量计，所述酸酐改性乙烯基共聚物为10wt%，所述纳米碳纤维为2~10wt%，所述尼龙6为80~88wt%。

7、在一些实施例中，在步骤a中，所述纳米碳纤维直径为150~200nm，长度为10~30μm。

8、在一些实施例中，在步骤a中，所述真空干燥温度为60℃，干燥时间为10h。

9、在一些实施例中，在步骤b中，所述挤出造粒采用如下步骤：

10、采用双螺杆挤出机从第一区至第五区的温度依次设定为215℃、235℃、240℃、240℃、240℃，螺杆转速120 r/min，再通过空压切粒机切粒，以获得的粒料放入60℃真空干燥箱中干燥10 h，冷却至室温，备用。

11、在一些实施例中，在步骤b中，所述挤出牵丝采用如下步骤：

12、采用单螺杆挤出机从第一区至第五区的温度依次设定为220℃、240℃、240℃、240℃、230℃，螺杆转速80 r/min，通过滚动式卷丝机牵丝，接着干燥、冷却至室温，备用。

13、在一些实施例中，所述通过滚动式卷丝机牵丝得到的丝材的直径控制在1.5mm~2mm。

14、在一些实施例中，所述干燥温度为60 ℃，干燥时间为10 h。

15、在一些实施例中，在步骤b中，所述熔融沉积采用如下步骤：

16、采用3d打印机对备用的丝材进行处理，其打印前将3d打印机的喷嘴温度设置为245 ℃，底座温度设置为150 ℃，打印速度设置为400 mm/min，层高设置为0.3 mm，填充走线角度设置为180°。

17、另一方面，本发明还提供一种上述的制备方法制得的高导热尼龙复合材料在电子器件散热中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、在本发明方法中通过向尼龙6/纳米碳纤维复合材料体系中引入酸酐改性乙烯基共聚物（弹性体），使得由熔融沉积技术获得的尼龙6/纳米碳纤维/弹性体复合材料相对于尼龙6/纳米碳纤维复合材料具有更少的孔隙和翘曲，并表现出更高的面外导热性能以及更优异的机械性能。通过fdm的喷嘴剪切力能够使尼龙6分子链和一维导热填料在打印方向上获得一种取向排列的结构。这种结构能够为尼龙6复合材料在取向方向上带来可观的导热性能和机械性能，通过由熔融沉积（fdm）获得的尼龙6复合材料，为高集成化高功率的电子器件带来了综合性能更强的热管理材料，在电子热管理工业领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种高导热尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，以原料总重量的百分含量计，所述酸酐改性乙烯基共聚物为10wt%，所述纳米碳纤维为2~10wt%，所述尼龙6为80~88wt%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，所述纳米碳纤维直径为150~200nm，长度为10~30μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤a中，所述真空干燥温度为60℃，干燥时间为10h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述挤出造粒采用如下步骤：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述挤出牵丝采用如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述通过滚动式卷丝机牵丝得到的丝材的直径控制在1.5 mm~2mm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为60 ℃，干燥时间为10h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述熔融沉积采用如下步骤：

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得的高导热尼龙复合材料在电子器件散热中的应用。

技术总结
本发明涉及导热材料技术领域，尤其涉及一种高导热尼龙复合材料的制备方法及应用,包括以下步骤：A、将尼龙6、纳米碳纤维与酸酐改性乙烯基共聚物混匀，真空干燥得到混合物；B、将步骤A得到的混合物经挤出造粒、挤出牵丝，再经熔融沉积，即得高导热尼龙复合材料；在本发明方法中通过向尼龙6/纳米碳纤维复合材料体系中引入酸酐改性乙烯基共聚物，使得由熔融沉积技术获得的尼龙6/纳米碳纤维/弹性体复合材料相对于尼龙6/纳米碳纤维复合材料具有更少的孔隙和翘曲，并表现出更高的面外导热性能以及更优异的机械性能。

技术研发人员：尹彦霁,王文燕,韩锐
受保护的技术使用者：西华大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/23