基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)同步發(fā)展，人們對(duì)材料提出了更高的要求，除導(dǎo)熱性能外，還要求材料具有質(zhì)輕、成型加工性能優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性能優(yōu)異、高抗沖擊、力學(xué)及疲勞性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于金屬材料，高分子材料具有價(jià)格低廉、耐腐蝕、易成型、電絕緣、力學(xué)性能良好的優(yōu)點(diǎn)，還可通過(guò)回收進(jìn)行二次成型或表面處理，能夠進(jìn)一步降低高分子材料制品的成本。但高分子材料存在如下缺點(diǎn):除本征型外多是熱的不良導(dǎo)體，熱量容易在局部區(qū)域集中并持續(xù)增多，且無(wú)法在高分子材料內(nèi)部進(jìn)行傳遞，長(zhǎng)期如此會(huì)使高分子材料受熱并失效。若賦予高分子材料一定的導(dǎo)熱性能，就會(huì)大大拓展高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003]研宄表明，提高高分子材料導(dǎo)熱性能的途徑主要有兩種:一是合成具有高導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)聚合物，即本征型導(dǎo)熱高分子，如聚丙炔或聚苯胺；二是向聚合物基體加入導(dǎo)熱填料進(jìn)行填充，制備聚合物/導(dǎo)熱填料復(fù)合材料。通過(guò)第一種途徑制備有機(jī)導(dǎo)熱高分子材料成本高，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性無(wú)法適用于所有材料，所以現(xiàn)有技術(shù)中增加導(dǎo)熱性能大多采用第二種途徑。針對(duì)第二種途徑，目前常用的導(dǎo)熱填料為金屬或碳系，如專利CN102650355A和CN 102649328A提及了通過(guò)金屬絲網(wǎng)和導(dǎo)熱塑料從下至上依次復(fù)合而成制備高導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合材料，而專利CN 1242286和CN 102827480A則提及了采用碳系同素異形體制備導(dǎo)熱材料。顯然，上述方法在提高高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的同時(shí)，也提高了其導(dǎo)電性能，降低了高分子材料原有的電絕緣性。
[0004]上述金屬和碳系填料具有很好的導(dǎo)熱性能，但也具有極好的導(dǎo)電性能，大大限制了它們?cè)诮^緣材料領(lǐng)域的使用。另外常用的一類導(dǎo)熱系數(shù)高且不導(dǎo)電的填料為無(wú)機(jī)填料，無(wú)機(jī)填料主要有金屬氧化物、氮化物及碳化物三類，金屬氧化物包括氧化鎂、氧化鋁、氧化镲等，氮化物包括氮化硼、氮化銷等，碳化物包括碳化娃、碳化硼等。但是此類復(fù)合材料逾滲閾值較高，導(dǎo)熱性能不好，而且過(guò)多無(wú)機(jī)填料導(dǎo)致復(fù)合材料流動(dòng)性差，力學(xué)性能下降明顯。
[0005]綜合上述問題，制備出能夠在保證力學(xué)性能的同時(shí)，又具備優(yōu)良導(dǎo)熱和絕緣性能的復(fù)合材料迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料及其制備方法，所述復(fù)合材料既能保證優(yōu)良的力學(xué)性能，又具有良好的導(dǎo)熱和絕緣性能。
[0007]本發(fā)明采取以下技術(shù)方案來(lái)達(dá)到所述目的:
[0008]1、基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由熱塑性聚合物、導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料、碳納米管、偶聯(lián)劑、抗氧劑和加工助劑組成，按熱塑性聚合物加入重量為100份計(jì)，導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料加入重量為10?70份，碳納米管加入重量為I?7份。
[0009]優(yōu)選的，所述碳納米管為多壁碳納米管。
[0010]優(yōu)選的，按熱塑性聚合物加入重量為100份計(jì)，偶聯(lián)劑加入重量為0.5?2.5份，抗氧劑加入重量為0.1?I份，加工助劑加入重量為0.5?5份。
[0011]優(yōu)選的，所述熱塑性聚合物為聚丙烯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚酰亞胺、聚苯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚甲醛、聚苯硫醚、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、尼龍或聚氯乙烯中的一種。
[0012]優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料為氮化物、碳化物或金屬氧化物中的一種或多種。
[0013]優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料顆粒的平均粒徑為0.5?5 μm，顆粒形狀為球形、片狀或橢球形；所述碳納米管長(zhǎng)度為5?25 μπι，直徑為10?30nm。
[0014]更優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料顆粒的平均粒徑為I?4 μπι。
[0015]更優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料顆粒的平均粒徑為2?3 μπι。
[0016]更優(yōu)選的，所述碳納米管長(zhǎng)度為7?20 μπι。
[0017]更優(yōu)選的，所述碳納米管長(zhǎng)度為10?15μπι。
[0018]優(yōu)選的，所述導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料為氮化硼、氮化硅、氮化鋁、碳化硅、碳化硼、氧化鎂或氧化鋁中的至少一種。
[0019]優(yōu)選的，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑或鋁酸酯偶聯(lián)劑。
[0020]優(yōu)選的，所述抗氧劑為酚類、亞磷酸酯類或芳香胺類中的至少一種。
[0021]更優(yōu)選的，所述抗氧劑為酚類1010或亞磷酸酯類168中的至少一種。
[0022]優(yōu)選的，所述加工助劑為脂肪酸酰胺類、脂肪酸類、石蠟或金屬皂類硬脂酸鈣中的至少一種。
[0023]本發(fā)明所述基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，導(dǎo)熱絕緣無(wú)機(jī)填料的尺寸明顯大于碳納米管的截面積，無(wú)機(jī)填料可以吸附多根碳納米管；而碳納米管的長(zhǎng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)填料尺寸，使碳納米管在聚合物基體中可以連接多個(gè)無(wú)機(jī)填料顆粒；無(wú)機(jī)填料顆粒猶如熱量傳遞的“孤島中轉(zhuǎn)站”，碳納米管猶如熱量傳遞的“橋梁”，箭頭所指猶如“孤島中轉(zhuǎn)站”和“橋梁”的搭接處；復(fù)合材料通過(guò)這種方式的搭接，基于填料性質(zhì)可以制備出優(yōu)良的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料。
[0024]2、基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的制備方法，首先將熱塑性聚合物及導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料進(jìn)行干燥，并對(duì)碳納米管進(jìn)行表面處理，使其表面產(chǎn)生羧基，然后將各組分在熱塑性聚合物的熔點(diǎn)以上、降解溫度以下的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)械共混即得基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料。
[0025]優(yōu)選的，碳納米管表面處理的具體處理步驟為:將碳納米管分散在處理試劑與蒸餾水質(zhì)量比為1:1的混合液中，將混合液超聲60min后并在酸性條件下于105°C下回流60min，使碳納米管表面產(chǎn)生羧基，然后將混合液用蒸餾水清洗并用I ym孔徑濾紙過(guò)濾，濾液反復(fù)用蒸餾水洗滌，直到濾液檢測(cè)為中性。吸附在微孔膜上的碳納米管利用超聲振蕩的方法重新分散在蒸餾水中，再轉(zhuǎn)移至離心管后以3500r/min離心lOmin，吸去上清液，下層黑色固體用蒸餾水超聲分散后再次離心，如此重復(fù)三遍。離心后得到的含少量水的碳納米管用滴管轉(zhuǎn)移至干燥潔凈的表面皿中，50°C下干燥至恒重；所述處理試劑為過(guò)氧化氫、濃硝酸、濃硫酸或濃硝酸和濃硫酸混合酸。
[0026]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明通過(guò)向熱塑性聚合物中加入處理過(guò)的碳納米管和一種或多種導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料，利用碳納米管巨大的長(zhǎng)徑比連接聚合物中多個(gè)孤立的導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料顆粒(類似于將多個(gè)“孤島中轉(zhuǎn)站”通過(guò)“橋梁”連接)，從而使碳納米管和無(wú)機(jī)填料顆粒在聚合物中形成三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱通道，使復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱性能；同時(shí)由于碳納米管直徑約幾十納米，多根碳納米管可吸附在同一導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料顆粒上而不互相接觸，使復(fù)合材料具有較好的絕緣性能。另外，由于將無(wú)機(jī)填料和碳納米管的配比控制在一定的范圍內(nèi)，進(jìn)而保證了復(fù)合材料的良好力學(xué)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0027]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖:
[0028]圖1為本發(fā)明所述基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；其中箭頭所指為碳納米管和導(dǎo)熱顆粒相互搭接形成的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2獲得的基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的掃描電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0031]實(shí)施例1
[0032]基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料，按重量份計(jì)，由以下組分組成:聚丙烯100份，氮化硼25份，處理后多壁碳納米管4.5份，硅氧偶聯(lián)劑I份，酚類1010 0.3份，石蠟2.5份。
[0033]上述基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的制備方法如下:
[0034]首先將聚丙烯和氮化硼在80°C條件下進(jìn)行干燥，然后取配比量的各組分通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)在各段溫度為160，180，195，200，200，210和200 °C擠出造粒，在70?90°C下烘干后進(jìn)行成型制樣。
[0035]上述基于碳納米管的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料制樣后測(cè)試的導(dǎo)熱系數(shù)為0.48ff/m.K，表面電阻率為1.12Ε+14Ω，體積電阻率為3.98Ε+13Ω.cm，拉伸