导热性能优良的碳纤维增树脂复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及导热性能优良的碳纤维增树脂复合材料及其制备方法，原料包括聚丙烯树脂100份，沥青基碳纤维20～80份，无机填料10～20份，相容剂10～20份，偶联剂0.5～5份，抗氧剂0.2～1份以及润滑剂0～3份。与现有技术相比，本发明专利技术提供的复合材料刚性高、导热性能好，适用于薄壁化、轻量化电子/电气产品的生产加工；并且原材料成本低、制备工艺简单，适合于工业化连续生产。

【技术实现步骤摘要】
导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料及其制备方法
本专利技术属于碳纤维复合材料
，具体涉及一种导热性能优良的碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
技术介绍
聚丙烯(PP)具有密度低、耐腐蚀、易加工、力学均衡性好、价廉等优点，是通用树脂中耐热性最好的产品。自工业化生产以来发展速度一直居各种塑料之首，广泛应用于汽车工业、家用电器、电子电器、包装及建材等领域。在我国，聚丙烯制品产量已超过聚氯乙烯(PVC)制品，仅次于聚乙烯，居第二位，占我国塑料制品总量的25％。随着电子元器件和电子电器设备越来越向着薄壁、轻量、小型化方面的发展，聚丙烯树脂在用于制作家电和电器电子壳体、非绝缘耐热性较低的电子元器件时，面临导热性能差和力学性能(尤其是刚性)不足的问题。高分子材料刚性和导热性的提高均可采用复合改性方法。为提高聚丙烯树脂的刚性，往往可以通过玻璃纤维、碳纤维等增强复合的方法，其中增强用的碳纤维主要是聚丙烯腈基碳纤维，它能够显著提高聚丙烯材料的强度和模量，但是对提高导热性作用不大。为提高聚丙烯的导热性，通常采用填充高热导率的填料粒子，制备填充型导热复合材料。常用的导热填料包括：一、金属填料，如银、铜、铝、镁、镍等粉末；二、无机非金属填料，如氮化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅等氮化物、氧化物、碳化物等；三、具有石墨结构的碳材料，如石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维及沥青基碳纤维等。但是金属导热填料存在密度大、有腐蚀性以及带来聚丙烯材料力学性能下降等缺点；无机非金属填料对聚丙烯树脂导热性提高并不是很有效果，往往也会使聚丙烯树脂力学性能下降。而采用碳材料中的石墨烯、碳纳米管及纳米碳纤维等的方法虽然能够显著提高聚丙烯树脂的导热性，但这些材料尚不能工业化大规模生产，价格昂贵，所涉及的技术更是仅仅停留在实验室研究阶段。高性能沥青基碳纤维是少有的已经实现大规模工业化生产的具有石墨结构的碳材料，日本帝人公司(中国专利公开CN101935919B，CN101163825B及CN101163828B)采用了高导热沥青基碳纤维来提高聚丙烯的导热性，发现这种具有较大长径比的纤维状填料有利于在材料内部形成热传导通道，对提高材料的导热性非常有效。但是号这些技术中复合材料的制备工艺复杂，而且没对给出聚丙烯力学性能改善的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可同时显著提高材料的力学性能和导热性能、原材料成本低、制备工艺简单的适用于工业化连续生产的碳纤维增强聚丙烯树脂复合材料及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂100，碳纤维20～80，无机填料10～20，相容剂10～20，偶联剂0.5～5，抗氧剂0.2～1，润滑剂0～3。所述的热塑性树脂为聚丙烯树脂，选自挤出级、注塑级、高流动级或阻燃级的粒料或粉料中的一种。对于碳纤维的含量，本体系有严格的规定，当短碳纤维含量小于20份时，无法在聚丙烯树脂基体内形成完善的导热通道，所以对聚丙烯树脂导热性能的提高不显著。碳纤维含量越高，聚丙烯树脂的力学性能和导热性能越高。但是当短碳纤维的质量百分比过高，其含量大于80份时，对混合设备的磨损严重，缩短螺杆的使用寿命。另外，含量过高会使复合材料的熔融粘度高、熔体流动性下降，因而对成型加工带来不利，尤其不利于薄壁、复杂结构制品的成型。作为优选的实施方式，碳纤维是高性能沥青基碳纤维，其拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)。可以选用商品化的系列的K1392U，K13C6U，K13D2U，K63A12或者Cytec系列的P-1002K，P-100S2K，P-1202K，P-120S2K等沥青基碳纤维，也可以是其它具有相当模量及热导率的沥青基碳纤维。作为优选的实施方式，碳纤维还可以采用沥青基短切碳纤维，平均长度为10μm～2mm。当纤维长度小于10μm时，不利于纤维在聚丙烯树脂基体内形成连续的热传导通路，不能够有效提高聚丙烯树脂的热传导性能；所以，纤维长度值越大越有利于提高材料的强度、模量以及热传导性。但是当纤维长度大于2mm时，将造成复合材料熔融粘度高，流动性差，给后续的制品的成型加工带来困难，尤其不利于薄壁、复杂结构制品的成型加工。所述的无机填料选自滑石粉、氧化镁、氧化铝、碳化硅、硅藻土或云母粉中的一种或几种。所述的相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯或马来酸酐接枝POE中的一种或几种。所述的偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、正钛酸四异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(KR38S)或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯中的一种或几种。所述的抗氧剂选自四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)，β—(3.5—二叔丁基—4—羟基苯基)丙酸十八碳醇脂(抗氧剂1076)，N,N’-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺(抗氧剂1098)或三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)中的一种或几种。所述的润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物或硅酮粉中的一种或几种。导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将原料热塑性树脂、碳纤维和无机填料充分干燥；(2)按照配比称取各组分原料；(3)将除碳纤维以外的各组分原料在高速混合内高速；(4)将步骤(3)混合得到的物料加入双螺杆挤出机料斗，碳纤维于挤出机加纤口加入，挤出造粒，即制备得到碳纤维增强树脂复合材料。步骤(1)中的干燥是在70～90℃下鼓风干燥4～6小时，使得干燥后物料含水量小于0.02wt％，步骤(4)中双螺杆挤出机自喂料口至挤出机模头的六区温度设定分别为170℃、180℃、195℃、195℃、195℃、190℃，主机转速为240～600转/分钟。沥青基碳纤维是以石油重油沥青、煤焦油沥青或萘系等稠环芳烃化合物为原料制备的碳纤维，按照性能可分为通用级沥青基碳纤维和高性能沥青碳纤维两类。高性能沥青碳纤维具有密度小、模量高(最高已达930GPa，达到理论值的91％)、导热性优异(热导率高达600～800W/(mK)，是金属中导热性最好的铜的1.5～2倍)、和热膨胀系数小等优点。利用沥青基碳纤维增强聚丙烯树脂所制备的复合材料，既能够大幅度提高聚丙烯树脂的模量(刚性)，满足电子/电气制品薄壁化、轻量化的要求，同时又能够大幅度提高聚丙烯树脂的导热性能。此外，由于沥青基碳纤维热膨胀系数极低，还能够提高聚丙烯树脂制品的尺寸稳定性，有利于制造高精度尺寸的产品。复合材料的力学性能受到纤维含量、界面等因素影响；而导热性能的提高需要在聚合物基体中形成更多的连续热传导通路，受到纤维本身的导热性能、含量、分散等因素影响，本专利技术人综合考虑这些影响因素，通过对复合工艺的调整、螺杆组合及转速及各种助剂的选配等方面进行大量研究，完成了本专利技术。与现有技术相比，本专利技术有效克服了填充聚丙烯树脂力学性能、导热性能二者不能兼顾的以往技术的缺点，制备了一种力学性能和导热性能够同时得到提高的碳纤维增强聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
导热性能优良的碳纤维增树脂复合材料，其特征在于，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂100，碳纤维20～80，无机填料10～20，相容剂10～20，偶联剂0.5～5，抗氧剂0.2～1，润滑剂0～3。

【技术特征摘要】
1.导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料，其特征在于，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂100，碳纤维20～80，无机填料10～20，相容剂10～20，偶联剂0.5～5，抗氧剂0.2～1，润滑剂0～3，所述的碳纤维采用沥青基短切碳纤维，平均长度为10μm～2mm，拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)；所述的热塑性树脂为聚丙烯树脂，选自挤出级、注塑级、高流动级或阻燃级的粒料或粉料中的一种。2.根据权利要求1所述的导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料，其特征在于，所述的无机填料选自滑石粉、氧化镁、氧化铝、碳化硅、硅藻土或云母粉中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料，其特征在于，所述的相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯或马来酸酐接枝POE中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料，其特征在于，所述的偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、钛酸四异丙酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯(KR38S)或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料，其特征在于，所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，王新灵，刘媛，张媛媛，宋晨晨，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31