导热塑料调研报告

导热塑料调研报告导热塑料是以PP、ABS、PC、PA、PPA、PBT、LCP、PPS、PEI、PEEK等通用塑料或工程塑料为基材，将高导热复合材料添加在塑料基材中共混复合、通过热传导改性而成的新型高性能塑料。未经改性普通塑料的热传导率或导热系数很低，一般为0.2-0.46W/(m.K)左右，而经过热传导改性的导热塑料可依据产品要求大大提高其热传导率或导热系数，一般为2-20W/(m.K)，某些特殊品级导热塑料的导热系数可达50W/(m.K)或更高，最高可达100W/(m.K)。通过热传导改性的塑料其导热系数是传统普通塑料的5-100倍甚至更高，这使得导热塑料的热传导率或导热系数可与某些金属媲美，如不锈钢15W/m.K和某些铸铝合金50-100W/m.K。导热塑料的优点：1、在使用过程中可实现均匀散热，有效避免了灼热点，可减少零部件因局部或全部产生高温而造成的变形，可调整导热塑料的各项物理性能，如可提高机械性能，增加强度和硬挺度；可根据需要调整其导电性能，制成绝缘型、导电型或抗静电型导热塑料；2、导热塑料的重量轻，比铝材轻50%左右，可减少对成品装置的震动，设备的稳定性提高；3、有相当宽广的选择范围，可在PP、ABS、PC、PA、PPA、PBT、LCP、PPS、PEI、PEEK等多种基础树脂甚至是弹性体中选择，根据产品需要选择相关塑料的物性，也可选择成本相对低廉的塑料基材，降低产品成本；4、导热塑料的热膨胀系数和成型收缩率低，可适应对尺寸稳定要求较高的产品；5、加工成型非常方便，可使用普通注塑成型设备象热塑性塑料一样进行简单加工，与普通塑料的加工工艺相同，可大批量快速成型，无须二次加工，大大缩短产品的成型周期；6、工作温度低，耐温度高，可提高组件和设备的使用寿命；7、成型加工方便，可制成比较复杂的形状，从而提高产品的设计自由度和产品附加值；8、应用广泛。有多种基材可选择，可根据需要调整相关物性，故导热塑料的应用相当广泛。技术特征提高塑料导热性的途径主要有两种：第一改变高分子结构；第二，通过填充高导热无机物，制备无机物/聚合物复合材料。现今导热塑料基本采用第二种方法。导热塑料按树脂基体分为热塑性及热固性；按填充粒子类型可分为金属填充、金属氧化物填充、金属氮化物填充、无机非金属填充及纤维填充；按绝缘电性能分为绝缘性和非绝缘型。由于塑料为绝缘体，因此绝缘性和非绝缘性导热塑料主要是由填料的种类所决定，非绝缘性导热材料的填料主要是：金属粉、石墨、炭黑及碳纤维等，这类材料兼具导热性的同时又有利于抗静电、电磁屏蔽等；而绝缘性材料填料主要包括：金属氧化物、金属氮化物、碳化物等。可用作导热粒子的无机填充材料主要有以下几种：（1） 金属粉末：铜粉、铝粉、金粉、银粉。（2） 金属氧化物：氧化铝、氧化铋、氧化铍、氧化镁、氧化锌。（3） 金属氮化物：氮化铝、氮化铋。（4） 无机非金属：石墨、碳化硅。有资料表明导热塑料现在主要使用填充材料为铝粉和石墨，同时亦有研究采用多种填料复配使用。其中石墨的导热率为209W/MK(100)，与金属的导热率最为接近，所以用石墨来改善高分子导热率的研究最多。铝粉与石墨均为导电材料，而非导电材料所用填料主要有氧化铝、氮化铝及氧化镁等。有研究说，一般石墨填充量30%-40%的产品用途较广。填充效果的好坏主要取决于以下因素：（1） 聚合物的种类和类型（2） 填料的形状、粒径及尺寸分布（3） 填料与基体的界面结合特性及两相的相互作用。目前市场是主要的导热塑料所采用的基材有：PS、PPS、PPA、PC、LCP、PA6、PA66、PA46、PA12、TPE等。其中PPS产品较多，但具体使用何种基材可能与具体的导热、性能及使用场合的要求有关。导热塑料生产过程中需加入偶联剂以改善材料性能，所采用的基本为常规偶联剂，如：硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂及铝酸锆类偶联剂。导热塑料生产工艺与高填充改性料生产工艺类似，首先是偶联剂对导热剂的表面处理，而后树脂、表面改性的导热剂及加工助剂经双螺杆挤出造粒。又有通过密炼机混合，而后层压成板材生产工艺。针对lED灯行业，一典型技术指标用于Led的塑料散热器：热变形温度 180（3.2mm） 导热系数 2.9W/MK表面电阻 1012 击穿电压 4000V阻燃 V0（1.3mm） 灼热丝 750（1.3mm） 有文章指出，片材在横向上的合适导热系数为：机械应用方面1.3W/MK-2W/MK; 电子领域的应用为2W/MK-4W/MK山东大学硕士论文。专利及文献从文献及专利上看，在这方面做研究开发的部门较少，主要有华南理工大学、山东大学以及一些高校与企业联合研究的在建筑及冷却系统中导热塑料的使用效果的评价研究（低成本的PP、PVC等），可能是限于成本压力而所使用的填料也主要是低成本的氧化镁、石墨之类。同时，导热填料的整体添加量也较高，如华南理工大学添加高目数MgO制备PPS导热塑料，氧化镁添加量达80%才能达到3.1W/MK的热导率；有相关专利（200810025883）中添加70%的氧化镁的PPS，才能达到1.6左右的导热率；华源集团与同济大学开发导热PP，石墨添加量达50%时，热导率达到3.9W/MK。同时将热导率为1.69W/MK的导热PP分别用到暖气片、换热器、蛇形盘管中，具有“良好效果”。金陵石化添加石墨开发导热PP，整体导热率数据很高，30%石墨添加量达到21.45W/MK(可能测试方法不一样)。山东大学硕士论文，在PC、PC/ABS及ABS中分别添加30-40%的AL2O3、BiO/AL2O3、SiC、SiC/AL2O3，其中在PC/ABS中添加30% BiO和SiC导热率分别达到1.226及1.099，其他填料导热率均小于1。达到要求的导热率，如此高的填充量下，其实际使用效果有待评价验证。使用量现今导热塑料使用量不大。从LED行业上看，主要有两方面的原因：一是价格昂贵，一般导热塑料的价格在20美元/Kg，可能更高，与现在使用的铝制散热材料相比成本较高。二是，与传统的散热材料相比，导热塑料是新材料，很多厂家担心使用风险，不愿采用。应用领域在各行各业的市场上，很多地方都需要散热材料。同时，塑料材料几乎渗透了所有的行业和领域，导热塑料的应用也可以覆盖这些领域。即，应用于要求热传递用途，以及对塑料的其他性能，加工性能或成本方面有要求的用途。这些领域包括电子电器、汽车、加热/冷却/制冷、照明、医药、食品以及体育用品。照明领域：导热塑料最典型的应用是在照明领域，主要用于制作需要散热良好的LED节能灯灯杯等，虽然LED节能灯所消耗的热量要比普通光源小得多，但因为LED节能灯结构紧凑、功能强大，温度控制仍然是一个重要的问题。从网站及其方面了解，导热塑料在LED行业用量很大，但价格很高。一般5W/MK的导热塑料，每公斤价格基本在20美元百度。数据分析表明，一般5mm以下的制品，导热率5W/MK与200W/MK对产品性能影响不大DSM导热塑料宣传册。但铝一直以来都是作为散热系统的材料，塑料作为散热材料才刚刚起步，目前市场上也只有飞利浦公司（所用料为DSM）推出了产品，所以很多厂家目前因担心风险，因而不太愿意尝试开模。针对LED行业中不同的应用coolpolymer所推产品更为详细，应用面更广coolpolymer官方网站。针对封装材料（die level encapsulation）提供低热膨胀系数的LCP基的D5506，导热率为10W/MK。针对背板结构（board level construction）提供PPS基的D5108，导热率为10W/MK。针对外壳材料（LED enclosures）提供PPS基E5101及PPA基E3603,导热率均为20W/MK。针对其中LED中所用的导热垫片（sealing gaskets）提供TPE基的D8101，导热率为3W/MK。除上述推荐牌号外，coolpolymer提供其他两款PC基E4501及E4505，导热率为4W/MK，LED灯反光片/发热片（Reflectors）。除coolpolymer外，DSM公司也推出了相应的以PA46为基的专用料，有三个牌号的产品（阻燃）：TC153、TC154及TC551。导热率分别为8.0 W/MK，1.1W/MK，14W/MK。其中飞利浦公司应用DSM导热塑料生产出了LED灯。立达信光电选择SABIC公司新款白色LNP* Konduit*热传导复合材料作为制造其两种LED灯泡散热片的材料。电子电器领域：分析Coolpolymer官方网站（/materialsolutions.asp），导热塑料在电子电器领域的应用有：包括线路板/电子设备封装（D5112）；片状散热片/散热片（E5101、E2）垫片（D8102）电机芯体、线圈骨架（D5110、D5506）基板、电子封装板、印刷线路板、LED线路板（D5108）功能性散热扇/散热片（E5101、E2、 E3603）及其所用垫片（D8102）。散热垫片（D8102、D8104、E8103）继电器管或托盘（E1201、 E1202）电阻器或转换器（D5502、D5110）温度传感器（D5112、D3608、D5112、D8102）抗静电（E5107）绝缘传热板（D5108、D5506）电磁屏蔽板（E4505）加热/冷却/制冷化工生产中的热交换器、导热壳体及加热器/供热设备、轴承和电机外壳，太阳能热水器，蓄电池冷却器，散热器（暖气片），导热管等。生产商阿里巴巴及IDE（1）美国coolpolymerCoolpolymer产品线比较丰富依据电性能不同分为两个系列，共26款的产品：具有电传导性的E系列产品以及绝缘性的D系列。E系列(导热导电)D系列（导热绝缘）牌号基材阻燃性导热系数牌号基材阻燃性导热系数E2LCPV020 W/MKD4302COPE/2.3 W/MKE3607PA66/6V014 W/MKD5502LCPV01.46 W/MKE4501PC/4 W/MKD5506LCPV010 W/MKE4505PCV04 W/MKD1202PP/5 W/MKE4507PCV03.6 W/MKD3608PPAV01.6 W/MKE1201PP/10 W/MKD5108PPSV010 W/MKE3603PPA/20 W/MKD5110PPSV02 W/MKE3605PA46/6 W/MKD5112PPS/6 W/MKE5101PPAV020 W/MKD8102TPE/3 W/MKE5107PPS/1.4 W/MKD8104TPEV01.31 W/MKE5109PPS/1.4 W/MKE8103TPE/5 W/MK（2）德国LUVOCOMLUVOCOM 1301-7804 PPS 6.0 W/MK 玻纤增强阻燃LUVOCOM 1301-8153 PPS 15 W/MK 非阻燃LUVOCOM 1301-7769 PPS 3.5W/MK 玻纤增强非阻燃LUVOCOM 6-8139 PA12 3.0W/MK 玻纤增强非阻燃LUVOCOM 3-8097 PA6 3.5W/MK 玻纤增强非阻燃（3）沙特 SABIC SABIC公司推出的导热塑料产品，商品名为Konduit，所用基材有PP、PA612、PA6、PA66及PPS，有以下九款产品：Konduit ITF2B PA612 1.1 W/MK 非阻燃玻纤增强Konduit MT00E PP 1.1 W/MK 非阻燃未增强Konduit MT00EL PP 1.1 W/MK 非阻燃未增强（低萃取物）Konduit OTF2AXXP PPS 2.2 W/MK 阻燃碳纤玻纤增强Konduit OTF2B PPS 1.1 W/MK 玻纤阻燃增强（