用于led燈具的高導熱性復合材料、導熱填料及生產設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于LED燈具的高導熱性復合材料、導熱填料及生產設備，表面偶聯(lián)劑溶液：無機導熱填料按質量份數(shù)比0.3～0.9∶100～300混合，表面偶聯(lián)劑在溶液中的濃度為10～25wt.%，溶液的溶劑為水-丙酮溶液，水：丙酮為5～10:90～95，無機導熱填料的長徑比15～100，高導熱性復合材料由占總重量59.5～64.5%的脂肪族聚酰胺、35～40%上述的改性導熱填料以及0.5%的潤滑劑組成，該復合材料的熱傳導率在10～12W/mk，制備上述的復合材料的雙螺桿擠出機在剪切段用2～3組斜型齒形盤取代捏合塊，擠出段用2～3組直型齒形盤取代輸送塊，本發(fā)明的復合材料大大降低使用絕緣塑料時產生的熱梯度，減少到接近金屬的數(shù)值，能夠很好的滿足LED燈具的散熱需求，內外溫差非常小。
【專利說明】用于LED燈具的高導熱性復合材料、導熱填料及生產設備
[【技術領域】]
[0001]本發(fā)明涉及導熱性復合材料、導熱填料及生產設備，具體涉及用于LED燈具的高導熱性復合材料、導熱填料及生產設備。
[【背景技術】]
[0002]隨著國家把環(huán)保節(jié)能作為國家的意志來實施，鼓勵市民使用大功率LED燈取代傳統(tǒng)的照明燈具(諸如:白熾燈、鹵素燈、熒光燈等等)，為充分利用現(xiàn)有的照明基礎設施，新型LED燈具應運而生；當前隨著越來越多的新型LED燈具的開發(fā)，設計人員與制造商正在探尋一種替代材料，這種材料與傳統(tǒng)金屬相比，能夠帶來更大的設計自由度且重量更輕，尤其是在LED燈罩方面。
[0003]塑料是一種合理的選擇，然而這對其性能的要求更高，對LED來說，由于散熱是一個關鍵性的問題，因此LED燈罩所適用的塑料必須具有更高的散熱能力，有效耗散LED燈所產生的熱量，·并保持較低的LED結點溫度，若熱量不能及時耗散，將會影響LED燈的功效和使用壽命；此外此類導熱塑料還應該具有高強度的機械性能，并符合IEC和UL安全標準的阻燃性要求。
[0004]從目前國內公開的專利文獻來看，國內對導熱塑料的研究大多只關注通過簡單的基礎樹脂組合和優(yōu)選合適的導熱填料進行共混合金來獲得較高的導熱系數(shù)(熱傳導率)，諸如:國內專利CN101717579B介紹了 “聚苯硫醚和聚酰胺以及導熱填料組合進行共混合金，可以制成導熱性優(yōu)異的復合材料”，但文獻中沒有系統(tǒng)闡述為何聚苯硫醚和聚酰胺組合會提高組合物的導熱系數(shù)(熱傳導率)？國內專利CN102174254A介紹了“高導熱絕緣工程塑料及其制備方法”，籠統(tǒng)地組合了各種各樣的組分和配比，根本沒有系統(tǒng)地論述各種組分和配比及其制備方法的合理性和科學性；國內專利CN102618029A介紹了“一種高抗沖擊聚己內酰胺導熱絕緣塑料及其制備方法”，用了較大篇幅介紹了對導熱填料的表面處理和設備的多喂料系統(tǒng)，卻沒有詳細闡述此制備方法和配比組分的合理性所依托的理論依據(jù)。綜上所述，究其原因在于國內對導熱塑料的導熱機理研究還不夠深入，大多數(shù)文獻只是停留在對原有文獻中的組分配比和制備方法做出簡單的調整或改進上，導致目前國內的導熱塑料的開發(fā)和應用嚴重滯后，特別是在LED燈具上替代金屬鋁制燈罩，國內制造的導熱塑料幾乎是空白，嚴重依賴國外為數(shù)不多的3-4家知名跨國公司。
[0005]目前，國內外公認的導熱塑料的最高熱傳導率為25W/mK左右，大大低于金屬的100W/mk的熱傳導率。熱塑性塑料是熱不良導體，其典型的熱傳導率僅為λ=0.25W/mK，這與熱傳導率高達200W/mK的優(yōu)良熱導材料一金屬和陶瓷形成了強烈對照。
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【發(fā)明內容】
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[0006]為了解決現(xiàn)有技術中的上述不足和缺陷，本發(fā)明提供一種用于LED燈具的高導熱性復合材料、導熱填料及生產設備。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，首先發(fā)明一種改性導熱填料，其特征在于表面偶聯(lián)劑溶液:無機導熱填料按質量份數(shù)比0.3?0.9: 100?300混合，所述的表面偶聯(lián)劑在溶液中的濃度為10?25wt.%，所述溶液的溶劑為水-丙酮溶液，水:丙酮質量比為5?10:90?95，所述的無機導熱填料的長徑比在15?100。
[0008]所述的無機導熱填料為氧化物、氮化物或碳化物中的一種或多種。
[0009]所述的氧化物為氧化鋁或氧化鎂；所述的氮化物為氮化鋁或氮化硅；所述的碳化物為碳化硅。
[0010]所述的無機填料為純度99.98%的碳化硅，粒徑為0.2 i! m，長徑比L/D=46，熱傳導率為 270w/mk。
[0011]所述的表面偶聯(lián)劑為硅系偶聯(lián)劑或鈦系偶聯(lián)劑。
[0012]上述改性導熱填料的制備方法由以下步驟組成:
[0013]I)配制水-丙酮溶液,水:丙酮質量配比為5?10:90?95 ；
[0014]2)將表面偶聯(lián)劑溶于水-丙酮溶液中，配制成鈦系偶聯(lián)劑濃度為10?25wt.%的偶聯(lián)劑-水-丙酮溶液；
[0015]3)利用具有加溫功能的高速攪拌機，采用噴霧方法，將偶聯(lián)劑-水-丙酮溶液加入到導熱填料中，按照鈦系偶聯(lián)劑與導熱填料質量份數(shù)比為0.3?0.9:100?300混合。具體步驟:將配制好的偶聯(lián)劑-水-丙酮溶液均分5?10次噴霧添加，每次噴霧添加后將導熱填料高速攪伴10?20min，攪拌機的攪拌速度1200?2000轉/分，攪拌溫度為80?120°C，從而得到改性導熱填料。
[0016]用上述的改性導熱填料，進一步發(fā)明一種用于LED燈具的高導熱性復合材料，由占總重量59.5?64.5%的脂肪族聚酰胺、35?40%上述的改性導熱填料以及0.5%的潤滑劑組成，該復合材料的熱傳導率X在10?12W/mk之間。
[0017]該復合材料的熱傳導率入優(yōu)選為11.2?11.7W/mk。
[0018]所述的脂肪族聚酰胺為PA6或PA66，優(yōu)選為端酰胺基團含量為53mmol/g的PA6。
[0019]最后，本發(fā)明設計了一種制備上述的復合材料的雙螺桿擠出機，常規(guī)的螺桿上設有預熱段、塑化段、剪切段和擠出段，剪切段上設有角度為60°或90°的捏合塊，擠出段上設有小導程或大導程的輸送塊，本發(fā)明在剪切段上用2?3組斜型齒形盤取代所述的捏合塊，擠出段上用2?3組直型齒形盤取代所述的輸送塊。
[0020]本發(fā)明的復合材料所具有的熱傳導率可以大大降低使用絕緣塑料時產生的熱梯度，減少到接近金屬(鋁)的水平，能夠很好地滿足LED燈具的散熱需求，內外溫差非常??；本發(fā)明改良的雙螺桿擠出機能夠為本設計方案制備高導熱性復合材料提供更高的剪切強度，使分散相(碳化硅)均勻地分散在連續(xù)相(PA6)體系中，并形成了穩(wěn)定的導熱網(wǎng)鏈，同時具有很好的堆積致密度，不會出現(xiàn)局部堆積或表面堆積的現(xiàn)象。
[【專利附圖】

【附圖說明】]
[0021]圖1:填入量不超過IOiim (小粒子，圖中標記為方點)及大于100 ii m (大粒子，圖中標記為圓點)近似球形的Al2O3 (氧化鋁)粒子的PA6復合材料的熱傳導率；
[0022]圖2:PA6復合材料的斷裂伸長率與細Al2O3 (圖中標記為方點)或粗Al2O3 (圖中標記為圓點)粒子填料體積分數(shù)的關系；
[0023]圖3:通過哈爾平-蔡公式(Halpin-Tsai Equation)按A 2=200W/mK的單向纖維填料和圖中插入的長度-直徑比計算復合材料的熱傳導率。
[0024]圖4:熱傳導率與低長徑比粒子(大AL2O3粒子)和高長徑比粒子(碳纖維)的填料體積分數(shù)的關系；
[0025]圖5:通過厚度為d、熱傳導率為λ的聚合物材料板的單向熱流示意圖；
[0026]圖6:通過聚合物材料板的單向熱流的溫度梯度與熱傳導率關系圖。板厚和熱流量見圖例；
[0027]圖7 =LED燈座的理想模型示意圖；
[0028]圖8:計算得出的全鋁配置和熱傳導塑料圓筒-鋁盤配置之間的溫度差值(同樣采用圖7圖例中提及的默認條件)；
[0029]圖9:鋁盤的最高溫度對圓筒的熱傳導率；
[0030]圖10 =FEM計算的全鋁制LED燈座溫度分布(單位:°C );
[0031 ] 圖11:FEM計算的低熱傳導率塑料LED燈座溫度分布(單位:°C );
[0032]圖12 =FEM計算的實施例4復合材料的LED燈座溫度分布(單位:°C )。
[【具體實施方式】]
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。本申請中的生產設備都是本領域的常用設備，應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]熱塑性塑料是熱不良導體，其典型的熱傳導率僅為λ =0.25ff/mK,這與熱傳導率高達200W/mK的優(yōu)良熱導材料一金屬和陶瓷形成了強烈對照。若需制造導熱塑料，常用的方法是通過共混復合技術在熱塑性塑料基體中添加導熱填料，因此有必要對這種共混復合技術、高導熱性塑料替代金屬材料的適用性作出理論上的模擬分析:
[0035]1、導熱塑料的基本性能和導熱填料對復合材料的熱傳導率的影響
[0036]為通過添加導熱填料獲得明顯提高的熱傳導率，填料粒子必須緊密堆積，換言之，必須填充熱塑性基體材料逼近填料粒子的隨機緊密填充閾值(RCPT) (RCPT=以隨機插入方式填充基體材料直至達到填料粒子的最大容積率)，該閾值可以通過哈爾平-蔡公式(Halpin-TsaiEquation)及劉易斯-尼爾森(Lewis-Nielsen)修正公式準確表述的，見圖1o
[0037]因此，復合材料的熱傳導率提高幅度取決于與RCPT值的接近程度，使熱傳導沿著多個并行的粒子到粒子的路徑進行。這與通過往絕緣熱塑性基體材料中添加導電填料達到電導率構成強烈對比，后者取決于是否超過滲濾閥值(PT);由于PT只受首次建立單個粒子到粒子的路徑的制約，PT閥值通常遠遠低于RCPT值，可以想象，若要使熱傳導性顯著增強，就必須具有與隨機緊密填充閾值有關的多個粒子到粒子的路徑。
[0038]圖1顯示了通過實驗獲得的且填入量不超過10 μ m(小粒子，圖中標記為方點)及大于100 μ m (大粒子，圖中標記為圓點)近似球形的Al2O3 (氧化鋁)粒子的PA6復合材料的熱傳導率。細實線分別表示著名的串行分布(底部線)和并行分布(頂部線)邊界極限，虛線和點畫線分別是λ 1=0.25ff/mK基體中填充λ 2=25ff/mK球體的哈爾平-蔡公式(Halpin-Tsai
Equation)及 Lewis-Nielsen 修正公式的計算結果，RCPT: i 7jar=0.64o
[0039]眾所周知，添加剛性填料會提高物料脆性，因此通過逼近隨機緊密填充閾值實現(xiàn)復合材料的熱傳導性，必須在復合材料的熱傳導性和韌性之間達到有效的平衡，這種平衡處決于復合材料的最終應用領域的性能要求。
[0040]圖2中顯示了添加了 Al2O3填料后，PA6復合材料的斷裂伸長率大大降低。
[0041]但是從理論上說，可以通過采用具有較大的長徑比的填料粒子來提高熱傳導率同時保持材料較高的韌性，這有助于在較低的填料體積分數(shù)下實現(xiàn)較高的熱傳導率【見圖3:通過哈爾平-蔡公式(Halpin-Tsai Equation)進行的估算】,從而在熱傳導率不變的情況下使物料的韌性更高。此外，圖4中實驗結果顯示，填入球形Al2O3粒子(圖中標記為方點)與纖維碳粒子(圖中標記為圓點)相比，復合材料的熱傳導率有較大差異。
[0042]從圖3和圖4可以清楚地看到，主要受制于目前市場上缺少大于100的高長徑比的導熱填料的供應，因此復合材料的熱傳導率設計能力只能停留在25W/mK左右。由于λ =25W/mK遠低于金屬通常的熱傳導率λ =100ff/mK,因此必須考慮導熱塑料代替金屬的適用性。
[0043]2、高導熱性塑料替代金屬材料的適用性
[0044]A、單向(ID)熱流:傳導限制與對流限制
[0045]圖5中，厚度d、熱傳導率λ的聚合物材料板一面暴露在每單位面積熱流量為[W/m2]的熱流中，并在另一面受溫度為T&的空氣對流冷卻。
[0046]眾所周知，通過聚合物材料板的溫度梯度Λ T可采用下式計算:
[0047]
【權利要求】
1.一種改性導熱填料，其特征在于:將表面偶聯(lián)劑溶液:無機導熱填料按質量份數(shù)比0.3?0.9: 100?300混合，所述的表面偶聯(lián)劑在溶液中的濃度為10?25wt.%，所述溶液的溶劑為水-丙酮溶液，水:丙酮質量比為5?10:90?95，所述的無機導熱填料的長徑比:15 ?100。
2.如權利要求1所述的改性導熱填料，其特征在于所述的無機導熱填料為氧化物、氮化物或碳化物中的一種或多種。
3.如權利要求2所述的改性導熱填料，其特征在于所述的氧化物為氧化鋁或氧化鎂；所述的氮化物為氮化鋁或氮化硅；所述的碳化物為碳化硅。
4.如權利要求1所述的改性導熱填料，其特征在于所述的無機填料為純度99.98%的碳化硅，粒徑為0.2 μ m，長徑比L/D=46，熱傳導率為270w/mk。
5.如權利要求1所述的改性導熱填料，其特征在于所述的表面偶聯(lián)劑為硅系偶聯(lián)劑或鈦系偶聯(lián)劑。
6.一種改性導熱填料的制備方法，其特征在于由以下步驟組成: 配制水-丙酮溶液，水:丙酮質量配比為5?10:90?95 ; 將表面偶聯(lián)劑溶于水-丙酮溶液中，配制成鈦系偶聯(lián)劑濃度為10?25wt.%的偶聯(lián)劑-水-丙酮溶液； 利用具有加溫功能的高速攪拌機，采用噴霧方法，將偶聯(lián)劑-水-丙酮溶液加入到導熱填料中，按照鈦系偶聯(lián)劑與導熱填料質量份數(shù)比為0.3?0.9:100?300混合，偶聯(lián)劑-水-丙酮溶液均分5?10次添加，每次添加后將導熱填料高速攪伴10?20min，攪拌機的攪拌速度1200?2000轉/分，攪拌溫度為80?120°C，從而得到改性導熱填料。
7.一種用于LED燈具的高導熱性復合材料，其特征在于由占總重量59.5?64.5%的脂肪族聚酰胺、35?40%權利要求1所述的改性導熱填料及0.5%的潤滑劑組成，該復合材料的熱傳導率λ在10?12W/mk之間。
8.如權利要求7所述的復合材料，其特征在于該復合材料的熱傳導率λ為11.2?11.7ff/mk0
9.如權利要求7所述的復合材料，其特征在于所述的脂肪族聚酰胺為端酰胺基團含量為 53mmol/g 的 PA6。
10.一種制備權利要求7所述的復合材料的雙螺桿擠出機，螺桿上設有預熱段、塑化段、剪切段和擠出段，剪切段上設有角度為60°或90°的捏合塊，擠出段上設有小導程或大導程的輸送塊，其特征在于所述的剪切段上設有2?3組斜型齒形盤取代所述的捏合塊，擠出段上設有2?3組直型齒形盤取代所述的輸送塊。
【文檔編號】B29C47/60GK103435847SQ201310393479
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權日:2013年9月2日
【發(fā)明者】葉楚祥 申請人:上海梵和聚合材料有限公司