導(dǎo)熱PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究*

麥偉宗，王 飛，黃李勝，李 景，許燈波

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665)

由于現(xiàn)階段單個(gè)LED輸出光束低，對(duì)一般照明使用，將需大量LED元件于一塊模組中以達(dá)到所需照度。但LED光電轉(zhuǎn)換效率極差，大約只有15%至20%電能轉(zhuǎn)為光輸出，其余均轉(zhuǎn)換成熱能，因此，當(dāng)大量使用LED于一塊模組，這種極差的轉(zhuǎn)換效率將造成散熱困難，進(jìn)而影響LED驅(qū)動(dòng)器效率、損害磁性元件及輸出電容器等的壽命，使LED驅(qū)動(dòng)器可靠度降低(一般元件的工作溫度需控制在80℃以下)，嚴(yán)重降低LED的壽命，加速LED的光衰。

對(duì)于解決LED散熱問(wèn)題，熱塑性導(dǎo)熱塑料是一種理想的選擇。導(dǎo)熱塑料能被用于LED燈具的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到降低溫度、增加亮度和提高產(chǎn)品使用壽命的效果。另外，熱塑性塑料采用普通注塑機(jī)一次注塑成型，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化加工步驟，提高生產(chǎn)效率。另外，導(dǎo)熱塑料密度較小，相比普通金屬，其密度成倍下降，同等質(zhì)量的導(dǎo)熱塑料可以做出兩倍到三倍的成品。因此，近些年有不少關(guān)于導(dǎo)熱塑料的文獻(xiàn)報(bào)道［1－5］，但得到的導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍偏低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。本文針對(duì)這一問(wèn)題，綜合考慮LED對(duì)導(dǎo)熱塑料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的要求，以PA6作為導(dǎo)熱塑料基體，開(kāi)發(fā)了PA6導(dǎo)熱塑料并對(duì)其導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA6:2400，工業(yè)級(jí)，廣東新會(huì)美達(dá)錦綸股份有限公司;PA6:BR－1，一級(jí)回料，半透明;POE-M:3C，沈陽(yáng)四維高聚物塑膠有限公司;氮化硼:BN2U，工業(yè)級(jí)，粒徑2微米;氮化硼:BN5U，工業(yè)級(jí)，粒徑5微米;氮化硼:BN15U，工業(yè)級(jí)，粒徑15微米;氧化鋁:A45u，工業(yè)級(jí)，粒徑45微米，球形;氧化鋁:A5u，工業(yè)級(jí)，粒徑5微米，球形;抗氧劑:1010，工業(yè)級(jí)，上海金海雅寶精細(xì)化工有限公司;抗氧劑:168，工業(yè)級(jí)，上海金海雅寶精細(xì)化工有限公司。

1.2 設(shè)備與儀器

激光導(dǎo)熱儀器:NETZSCH LAF447;平行同向雙螺桿擠出機(jī):Φ52，南京瑞亞高聚物裝備有限公司;注塑機(jī):PL860，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司。

1.3 試樣制備

將PA6、POE-M、氧化鋁、氮化硼分別于90℃干燥4h，按照一定比例置于高速混料機(jī)中混合8min，在265℃下進(jìn)行造粒。切粒后粒子在90℃干燥4h后注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條，然后放置48h后檢測(cè)。

1.4 測(cè)試與表征

導(dǎo)熱系數(shù)按ASTM E－1461測(cè)試，樣品厚度2mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3用量對(duì)PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

首先我們研究了Al2O3的用量對(duì)Al2O3/PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，Al2O3用量與復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系列于表1。

表1 不同氧化鋁加入量的PA6復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)Tab1 Thermal conductivity of PA6 composites of different content of Al2O3

從表1可知，純PA6的導(dǎo)熱系數(shù)為0.338W/(K·m)，加入氧化鋁能提高PA6復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。隨著Al2O3填充量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，證明氧化鋁可提高尼龍6的導(dǎo)熱系數(shù)，Al2O3含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為純PA的1.57倍，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能沒(méi)明顯提升。

2.2 氮化硼(BN)用量對(duì)PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

采用了有更高導(dǎo)熱系數(shù)的BN作導(dǎo)熱填料，研究其填充量對(duì)PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響。BN用量與復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系列于表2。

表2 不同氮化硼加入量的PA6復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)Tab.2 Thermal conductivity of PA6 composites of different content of BN

從表2可知，隨著BN填充量的增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，當(dāng)BN填充量高達(dá)50%時(shí)，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)也只有0.523W/(K·m)，可見(jiàn)單純使用BN也不能提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能。

由以上結(jié)果可知，無(wú)論是氧化鋁還是氮化硼，僅僅使用一種導(dǎo)熱填料對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高沒(méi)有太大幫助，這是因?yàn)閺?fù)合材料的導(dǎo)熱性能取決于材料中是否能形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)導(dǎo)熱填料粒子之間未形成較好的接觸，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷，導(dǎo)熱性能便不能得到有效提高。

2.3 復(fù)配助劑體系(質(zhì)量含量為50%)對(duì)PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

為了在復(fù)合材料中形成連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，將不同粒徑導(dǎo)熱填料進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)添加小粒徑填料以填充大粒徑填料之間的空隙，使粒子與粒子之間更容易觸碰，以便形成有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。所采用復(fù)配體系與復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 50%含量的復(fù)配體系的PA6復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)Tab.3 Thermal conductivity of PA6 composites of 50%content of different mixed system

從表3可以看出，復(fù)配助劑體系相比單一助劑，可以獲得更高的導(dǎo)熱系數(shù)。向大粒徑填料中復(fù)配少量小粒徑同種或異種填料即可較好提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.4 POE-M對(duì)PA6復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

綜合以上研究結(jié)果，我們優(yōu)化了復(fù)配助劑體系，同時(shí)考慮到填充大量填料會(huì)降低復(fù)合材料沖擊韌性，在優(yōu)化復(fù)配助劑體系的基礎(chǔ)上添加了少量增韌劑POE-M以改善復(fù)合材料抗沖擊性能，并研究了增韌劑對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，見(jiàn)表4。

基礎(chǔ)配方:50%的復(fù)配助劑體系，POE-M和PA6共50%的含量。

表4 增韌劑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Tab.4 Thermal conductivity of PA6 of difference content of POE-M

從表4可知，優(yōu)化后的復(fù)配體系使得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)得到大幅提升，50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)配體系填充PA6復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)1.869 W/(K·m)，為純PA的5.5倍。但增韌劑POE-M的加入反而降低了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

3 結(jié)論

(1)氧化鋁和氮化硼的添加可提高尼龍6復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，且含量越高，導(dǎo)熱系數(shù)越高，但是單一添加導(dǎo)熱系數(shù)增長(zhǎng)緩慢。

(2)采用不同粒徑的氧化鋁和氮化硼復(fù)配可大幅度提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在相同添加50%含量的導(dǎo)熱助劑下，單一添加時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)只能在0.5W/(K·m)至0.6W/(K·m)之間，但經(jīng)過(guò)復(fù)配后，導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)到0.919W/(K·m)。

(3)減少POE-M的用量可提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

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