提高导热率或缩短成型时间的方法

提高导热率/缩短成型时间的方法

——非极性聚烯烃类塑料材料

导热性能是聚合物重要的物理性能之一，对于热流平衡计算，聚合物结构与性能，聚合物加工艺条件及聚合物材料应用等都有重要意义。对于导热塑料的研究和应用，可以对其进行简单的分类，按照基体材料种类可以分为热塑性导热树脂和热固性导热树脂；按填充粒子的种类可分为：金属填充型、金属氧化物填充型、金属氮化物填充型、无机非金属填充型、纤维填充型导热塑料；也可以按照导热塑料的某一种性质来划分，比如根据其电绝缘性能可以分为绝缘型导热塑料和非绝缘型导热塑料。

塑料的导热率很低，是优良的隔热、绝缘材料。近年来随着电气电子部件小型化和集成化的不断发展，机器内部产生的热量不能排出而积蓄在塑料部件里。这就给产品的设计带来了制约。于是，导热塑料应运而生。

一、提高聚合物导热性能的途径

提高聚合物导热性能的途径有两种：

1、 合成具有高导热系数的结构聚合物，如具有良好导热性能的聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯等，主要通过电子导热机制实现导热，或具有完整结晶性，通过声子实现导热的聚合物。

2、通过高导热无机物中的一种或几种对聚合物进行填充，制备聚合物/无机物导热复合材料。

填料的种类

无机非金属材料作为导热填料填充高分子材料基体时，填充效果的好坏主要取决于以下几个因素：（1）聚合物基体的种类、特性；（2）填料的形状、粒径、尺寸分布；⑶填料与基体的界面结合特性及两相的相互作用。

以往常采用的方法有：（1）利用有一定长径比的颗粒、晶须形成连续的导热网链；

（2）选用不同的粒径的填料组合，达到较高填充致密度；（3）利用偶联剂改善填料与基体的界面，以减少界面处的热阻；(4)用纳米材料填充塑料提高导热系数是近年来研究的热点。

可以用作导热粒子的金属和无机填料大体有以下几种：

金属粉末填料：铜粉、铝粉、银粉；

金属氧化物：氧化铝、氧化铋、氧化镁、氧化锌；

金属氮化物：氮化铝、氮化硼；

无机非金属：石墨、碳化硅。

导热材之选择：一般导热填充物包含有属粉末，玻璃粉末，碳黑，石墨， 钙，铜，

铝，镁的氧化物。依照应用范围的同选择适合的填充物，如在电子封装上就必须选择高导热系数、低介电常数、高体积电阻的填充物，像是氮化硼，氮化铝等。

目前填充性导热塑料的研究，大部分采用物理填充的方法，导热性能不高，机械性能下降严重，导热系数预测理论局限于经验模拟，缺乏导热机理的理论支持。但随着日益扩大的市场和研究的深入，导热塑料将有一个大的发展，尤其是纳米导热材料的研究和开发，高导热本体聚合物材料的制备，聚合物导热机理的探讨应成为导热高分子材料的研究方向。

提高聚合物导热性能的文献或专利：

1、 金属填料的添加对聚合物的导电和导热性能都有很大的提高。如可用不同含量

的铜粉填充低密度聚乙烯(LDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)，导热系数随着铜粉含量的增加而增加，电阻随着铜粉含量的增加而降低，例如：填充 24V%的铜粉，LDPE

和LLDPE导热系数均提高2倍以上，电阻降低1.5倍以上。从混合焓的结果显示铜粒子可以做成核剂，可以提高复合材料的结度，LDPE填充铜粉热稳定性比未填充的提高；在填充较低含量的铜粉时，LLDPE便显示较好的热稳定性。通常同未填充的高聚物相比，此类复合材料的机械性能较差(除模量外)，热传导和电传导性能提高。

2、 西北工业大学周文英用粉末混合法制备了氮化硼增强高密聚乙烯塑料，研究了材料内部填料分散状态，填料含量，基体粒径和温度对热导率的影响。结果表明，材料中填料粒子围绕在聚乙烯粒子周围，形成了特殊的网状导热通路；增大填料用量和

基体粒径，热导率升高；填料体积用量为30%时体系热导率达0.96W/m-K，是基体热导率的3倍多。用Y.Agari模型分析了基体粒径对形成导热通路的影响。此外，使用氧化铝短纤维和氮化硼混杂填料能获得更高的热导率。

3、 西安交通大学任文娥采用碳化硅（SiC）和线性低密度聚乙烯（LLDPE）粒子经粉末混合和热压成型制得导热复合塑料。研究了SiC粒子含量对LLDPE熔融温度、结晶度、热导率、介电及力学性能的影响。结果表明：SiC粒子降低了LLDPE结晶度，对熔融温度无明显影响；随SiC含量增加，热导率升高，介电常数和损耗升高，但仍然保持在较低数值，而力学性能下降。

4、 中国华源集团应用不同的导热材料（如铜纤维、铝纤维、铝粉、石墨、鳞片石

墨）等填充聚丙烯，所得导热聚丙烯复合材料导热系数是普通聚丙烯导热系数的 4-42

倍，导热聚丙烯复合材料的导热性能如下表所示：

表1导热聚丙烯复合材料的导热性能

铜纤

填充组分（质量分数）

/%

铝粉

导热系数/（W/m-k）

备注

石墨

铝纤

常温1

常温2

100C

50

0.800

—

—

—

10

15

1.090

1.488

1.546

石墨150目

15

25

1.426

1.733

2.605

鳞片石墨200目

20

25

8.650

—

—

石墨150目

17

13.7

—

1.546

0.965

鳞片石墨400目

18

5

—

1.237

0.837

鳞片石墨400目

16

15

1.080

1.011

0.790

鳞片石墨200目

16

16

—

1.302

1.093

鳞片石墨400目

25

0.784

—

—

石墨150目

25

1.076

1.570

1.128

鳞片石墨200目

50

—

3.977

3.896

鳞片石墨400目

注：常温1的导热系数由上海理工大学采用瞬态热片法测定； 常温2和100°C的导热系数由上海

材料研究所采用激光脉冲方法测定。

5、CN200810010571.8采用聚乙烯或聚丙烯；陶瓷纤维或石墨粉、炭黑、碳纤维、

金属粉；氯化聚乙烯或橡胶类物质共混；加入抗氧化剂亚磷酸三苯酯。其中：采用 60

份的聚乙烯或聚丙烯；导热助剂采用29份的陶瓷纤维或石墨粉、炭黑、碳纤维、金属粉；10份的氯化聚乙烯或橡胶类物质共混，加入1份的抗氧化剂亚磷酸三苯酯。该发明高分子化合物导热材料，具有低填充、高传导性能、良好的分散性，及可焊接性能，并具有良好的导热和导电功能。

6、 CN200710164431.1公开了一种导热性好的聚乙烯塑料，是采用导热陶瓷材料对低压聚乙烯（HDPE）材料进行改性，使HDPE材料的导热性显着提高。其材料配比（重量比）为：低压聚乙烯（HDPE）100份，碳化硅（SIC）45-55份，乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）5-15份，润滑剂（PE蜡）3-8份。由于在低压聚乙烯中加入了导热陶瓷材料碳化硅粉末，提高了材料的导热性，同时加入乙烯-乙酸乙烯共聚物，提高了抗冲击性。实施例中最高可将高密度聚乙烯的导热系数由0.46提高到0.5656W/m-K。

7、 CN98112222.1公开了一种高导热性高密度聚乙烯基复合材料及其制造方法，该高密度聚乙烯基复合材料的配方组分（按重量计）为：高密度聚乙烯，熔体指数0.08〜0.16g/10min1:2.16kg3〜9.5份高导热性填料，粒度63.5-127〃m0.〜7份抗氧剂0.0025〜0.02份，其特点是在高密度聚乙烯基体材料中加入经磨盘型力化学反应器处理

活化的导热物质，并添加适量抗氧剂，通过共混方法制造高导热性高密度聚乙烯基复合材料。高导性填料为石墨、氧化镁、硅酸钙。实施例中最高可将高密度聚乙烯的导热系数由0.46提高到3W/m-K0

8、 CN201010518925.7公开了一种交联聚乙烯复合材料，由聚乙烯组合物经模压

成型后得到，所述聚乙烯组合物包括：80〜99.2重量份的超高分子量聚乙烯；0.1〜10重量份的润滑耐磨剂；0.5〜15重量份的导热剂；0.01〜5重量份的交联剂。制备方法包括：将润滑耐磨剂、导热剂、交联剂和第一部分超高分子量聚乙烯混合，得到母料 ；

将所述母料与第二部分超高分子量聚乙烯混合，得到聚乙烯组合物；将所述聚乙烯组合物进行模压成型，脱模后得到交联聚乙烯复合材料。导热剂为纳米导热剂，选自纳

米碳化硅、纳米氮化铝、纳米碳化钛、纳米碳化锆、纳米铜粉、纳米铁粉、纳米镍粉、纳米铝粉、纳米银粉、纳米金目粉、纳米锌粉中的一种或多种。

二、缩短非极性聚烯烃类塑料材料成型时间的方法

1、 成核剂HyperformHPN-20E:美国南卡罗来纳州Spartanburg的Milliken（麦利肯）化学公司在NPE2006（2006年美国国际塑料展览会）上首次推出了其开发的聚乙烯（PE）成核剂HyperformHPN-20E，它不仅能提高HDPE（高密度聚乙烯）薄膜透时性，还能改进HDPE加工性，缩短成型时间。

MilladQNX8000:麦利肯化学的另一款成核剂，可以提高PP透明度，增宽加工窗口，缩短成型周期。

2、 成核剂NGS-l000和NGS-2000:美国肯塔基州的NyacolNano技术公司新推出2个聚丙烯成核剂牌号，NGS-l000和NGS-2000，是尺寸为50纳米、表面改性的二氧化硅粒子，有粉料和母料两种形式。新产品能控制聚丙烯成核，得到综合性能极佳聚丙烯，提高聚丙烯结晶温度，提高材料的弯曲模量、抗冲击性，降低材料雾度。另外成核剂还可提高聚丙烯成型速度，缩短注塑成型时间。并且用量少，成本低。NGS-1000和NGS-2000还可以抗粘连、改进薄膜使用性能。NGS-1000己获美国FDA批准，可用于与食品接触的场合。推荐主要用于注塑成型，突出优点是改进制品机械性能并缩短加工时间。推荐用于强调要求提高弯曲模量或透明性的制品。

3、聚丙烯成核剂（增透型）AUSIPROPYLMB-CL10:是一种高效的成核剂母粒，主要用于提高聚丙烯的刚性和冲击强度，提高透明度，改善薄膜挺度，提高热性能（热变形温度），缩短成型周期，促进填满模腔并改善脱模，提高制品尺寸稳定性等。推荐添加量：1.5-2.0%。--瑞图兰（天津）科技有限公司。

4、 Ca-G成核剂：属于芳基羧酸盐类聚烯烃成核剂。通过结晶改性达到提高制品抗冲击性、刚性、表面光泽等目的，并能缩短制品的成型周期，特别适用于聚丙烯注塑制品的增刚、增光、抗冲改性。由于采取特殊的精制技术，粒度细、色度白、分散性好、无气味。推荐用量范围0.2〜0.3%，为了进一步提高分散效果，可适当配合聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、石蜡油等分散剂。--江西省石城县辉达科技有限公司

5、TR-ZG619-1是一种经济、高效的聚烯烃助剂，可以显著提高聚烯烃制品的抗冲性、刚性，表面光泽，热变形温度等性能，并能缩短制品的成型周期，特别适用于聚丙烯制品的增刚，增光以及抗冲改性。---盛世华联塑胶颜料有限公司

总结：

从以上提高非极性聚烯烃类塑料材料导热率的专利或文献资料来看绝大多数研究都是填充金属或无机填料或几种的混合物来提高塑料材料的热导率。

缩短非极性聚烯烃类塑料材料成型时间的专利或文文献很少见，仅查到成核剂可以缩短聚烯烃的成型时间的报道。

附

1、导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用4表示，单位为瓦/米・度（W/m-K，此处的K可用。C代替）。

2、金属的热传导系数表（未查到测试温度）

物质

温度

导热系数