2.2　導熱塑料的配方、工藝與性能

2.2.1　PBT基LED燈用導熱塑料

近年來由于LED照明領域的快速發展，對導熱高分子材料在這方面的需求與日俱增，導熱高分子材料可以用于LED中的外殼、插件、基板、散熱器等部件，表2-3所示是一些公司生產的導熱高分子材料在LED領域方面的工業化應用。

聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）作為一種工程塑料，具有較好的耐磨損性、耐熱性以及電絕緣性，并且吸水率低、尺寸穩定，廣泛應用在各個領域，其價格比PA46、PPS價格相對要便宜。與氮化硼相比，氧化鎂的價格相對較低。在氧化鎂添加量為50%時，材料的導熱性能相對較高，力學性能下降較少。由于PBT熱變形溫度低，對缺口敏感，缺口沖擊強度低，導致制品韌性低，限制了PBT的應用范圍。綜合性能與成本考慮，必須進行增韌改性。本配方以PBT為基體，氧化鎂為導熱填料制備導熱復合材料。通過添加EVA或玻璃纖維對復合材料進行增韌和增強處理。

（1）配方（質量份）

PBT　　　　　56

MgO　　　　　40

EVA　　　　　 4

抗氧劑1010　 0.25

抗氧劑168　　0.25

硬脂酸　　　　0.5

（2）加工工藝　原料預處理：PBT樹脂遇水易分解，因此在使用前必須對其進行干燥處理，吸水率應低于0.02%。將氧化鎂、氮化硼、PBT放入鼓風干燥箱中，在120℃的條件下烘干4h，使其充分干燥。雙螺桿擠出機擠出造粒：將特定比例的導熱填料與PBT樹脂放入高速攪拌機中攪拌10min，待攪拌均勻后，將攪拌好的原料取出。按圖2-2所示對雙螺桿擠出機進行設置，將攪拌好的原料加入到擠出機中熔融擠出，經過空氣冷卻，經造粒機造粒，備用。表2-4為雙螺桿擠出機各區溫度。

（3）參考性能　純PBT的熱導率僅為0.394 W/（m·K）。氧化鎂的熱導率大約為36W/（m·K）。配方1是將PBT∶MgO比例固定在60∶40，加入玻璃纖維；配方2是將PBT∶MgO∶EVA的比例固定為56∶40∶4，向體系中加入玻璃纖維。表2-5為PBT增強增韌導熱復合材料的力學性能及導熱性能。由表2-5可以看出，配方2與配方1相比，向氧化鎂填充PBT復合材料中加入EVA和玻璃纖維，復合材料的力學性能和熱導率均較為良好。配方2中，復合材料的熱導率為1.137W/（m·K），彎曲強度高達104.5MPa。

2.2.2　PA6/AlN/CF導熱塑料

PA6 作為一種傳統的工程塑料在社會生產上得到廣泛應用，但 PA6 的低熱導率限制了其在導熱材料中的應用，提高 PA6 材料的導熱性能在工業生產應用中具有重要的意義，氮化鋁（AlN）填料是一類原子晶體的氮化物，是一種高熱導率的無機填料，熱導率可達300W/（m·K），純度高且電絕緣性能優異，具有力學性能好、光傳輸性能好、純度高、介電性能優良等特點，而碳纖維（CF）具有良好的電導率和導熱性能，而且還能提高材料的力學性能。目前通過導熱填料填充高分子基體是最經濟有效的導熱高分子材料的制備方法，本配方選擇了 PA6/AlN/CF復合體系，利用尺寸差異較大的碳纖維與 AlN 填料進行混合填充制備了PA6/AlN/CF LED燈用導熱塑料。

（1）配方（質量份）

PA6　　　　　　　60

氮化鋁（AlN）　　25

碳纖維（CF）　　15

KH550　　　　　適量

抗氧劑B225　　　0.5

注：PA6選用日本宇部公司1013B；氮化鋁10μm，本配方選取的碳纖維材料是中間相瀝青基碳纖維材料，相比聚丙烯腈制備的碳纖維熱導率更高，直徑為 7μm，熱導率150～200W/（m·K）；硅烷偶聯劑KH570填充量為1.5%（質量分數）。

（2）加工工藝

① 材料預處理　 偶聯劑處理：首先用無水乙醇作為溶劑按照一定比例與硅烷偶聯劑（KH550、KH560、KH570）、鈦酸酯偶聯劑（鋁酸酯偶聯劑由于是粉末狀，不用配制成溶液）配制成偶聯劑溶液，將配制好的偶聯劑溶液按照填料含量的0.5%～2%（質量分數）的比例用噴霧瓶呈霧狀均勻地噴灑在AlN粉末上，將偶聯劑處理后的AlN填料放在烘箱里烘干待用。

② 高速混合　將PA6基體在 100℃烘箱內烘干8h后與已經經過偶聯劑處理的AlN填料按照不同的配比分別放入高速混合機中，同時一并添加0.4%（質量分數）的抗氧劑，最后不同組分在高混機中混合10min，取出烘干待用。

③ 三螺桿擠出造粒工藝　擠出機料筒各段及模頭溫度參數設定如表 2-6 所示。

三螺桿擠出機喂料螺桿轉速設置為 8r/min，螺桿轉速設置為50r/min，采用水冷和風冷后經過切粒機切粒的方式制備PA6/AlN 導熱復合材料母料，將制備好的母料放于100℃烘箱內烘干8h待用。

 二步法擠出即將相同配方的各組分進行 2 次擠出，以PA6/AlN/CF復合材料為例，先將原料PA6和AlN熔融擠出切粒制成母料，再將母料與填料CF再次熔融擠出。

（3）參考性能　AlN/CF 混合填料在 PA6/AlN/CF 體系中產生的混配效應和協同效應有助于提高材料的導熱以及力學性能。PA6/Al N/CF 導熱復合材料的填料總填充量為40%（質量分數）；PA6/AlN/CF 復合材料的熱導率隨著碳纖維含量的增加而不斷上升，見圖2-3。當AlN/CF配比為 25/15時，熱導率達到 1.395W/（m·K），比同含量單一的 AlN 填充的PA6/AlN體系增長了39%，碳纖維相比AlN填料具有較高的長徑比，纖維狀的碳纖維在AlN粒子之間起橋梁連接作用，形成了更多的導熱通路，且碳纖維本身的熱導率很高，這種形狀和比例的差異，使得填料和基體之間相互搭接、貫穿和相互聯系，這種空間網狀的導熱通路形成的混配效應和正向協同效應，使得材料的堆積密度比同等含量單一填料填充的密堆積程度要高，建立更完善的導熱網鏈結構。圖2-4為CF含量對復合材料力學性能的影響。綜合考慮，PA6/AlN/CF配比為60/25/15時，復合材料的綜合性能最好。

硅烷偶聯劑KH570在填充量為1.5%（質量分數）時對導熱性能的改性效果最好。碳纖維填料、AlN填料以及PA6基體之間的極性以及表面的活性差異很大，簡單地進行共混熔融制得的復合材料的相容性較差，影響材料內部填料的分布。所以，采用對填料進行偶聯劑改性的辦法來提高材料各成分之間的相容性。圖2-5所示為改性后的復合材料的導熱曲線，AlN/CF配比為 25/15。偶聯劑改性能夠提升 PA6/AlN/CF導熱復合材料的熱導率，其中KH570的改性效果最好，在填充量為1.5%（質量分數）時，其熱導率達到 1.449W/（m·K），較未改性提高了45%，這說明KH570的官能團能夠很好地與碳纖維和AlN表面的官能團和活性物質發生反應，有利于纖維和微粒的共同均勻分散，通過增強混合填料與基體之間的相容性和界面結合力，可以促進導熱網鏈的構建。圖2-6為偶聯劑改性對PA6/AlN/CF復合材料力學性能的影響。

三螺桿擠出二步法即將混合填料分別逐次添加，二次熔融擠出的過程，力學性能如表2-7所示。先添加AlN填料擠出成母粒，再將母粒與碳纖維再次熔融擠出的二步法在力學性能上有所改善；先添加碳纖維的二步法力學性能有所降低是因為將碳纖維進行了二次的熔融擠出，對纖維材料的重復加工造成的破壞不利于發揮碳纖維高模量高強度以及長徑比的優勢。所以，對纖維材料的加工原則是盡量減少對纖維本身的破壞，增加其在結構中的良好均勻分散和取向，發揮其在力學性能方面的卓越性能，這也是工業生產中碳纖維的添加方式主要以側喂料為主的原因之一。

2.2.3　石墨/碳纖維/尼龍46復合導熱塑料

尼龍46（PA46）的耐熱性在五種通用工程塑料中具有明顯優勢，是一種新型的工程塑料，在汽車零件、部分電子電氣產品等方面有廣泛應用。熔點高，有十分優異的耐熱性能，使其在高溫下可長期使用，大大提高它的應用范圍。主要應用于對耐熱性能有較高要求的領域，如導熱塑料、散熱器等。與傳統的通用工程塑料相比，無論是在用途方面還是市場方面都有較為突出的優勢。

（1）配方（質量份）

PA46　　　60

石墨　 　　30

碳纖維　　10

KH570　　適量

注：PA46/TW341荷蘭DSM公司；碳纖維粒徑D50=100μm；石墨粒徑100μm。

（2）加工工藝

① 氣相氧化改性　將石墨和碳纖維稱量后，分別放入馬弗爐中，溫度為350℃，保溫時間分別為1h，停止加熱，石墨隨馬弗爐冷卻至常溫。

② 偶聯劑改性　分別稱取質量分數為1%的硅烷偶聯劑。將其與無水乙醇混合（質量比為1∶5）稀釋后均勻地噴灑在石墨和碳纖維表面，超聲分散0.5h，靜置1h，置于真空干燥箱中85℃干燥24h。

③ 共混造粒　采用密煉機和單螺桿擠出機兩種混料設備，對材料進行熔融共混。首先用密煉機混料，密煉機的加熱片溫度為305℃，轉速為300r/min，進行破碎，加入單螺桿擠出機，進行擠出造粒，溫度從加料口到機頭分別為300℃和305℃擠出。

（3）參考性能　隨著導熱填料的增加，石墨和碳纖維在基體之中起到協同效應，復合材料的導熱性能較之于單一改性有所提高。當兩種填料石墨/碳纖維（EG/CF）的填充量為30%/10%時，復合材料的熱導率達到4.233W/（m·K），約為原始PA46［0.269W/（m·K）］的15.74倍。圖2-7為填料的質量分數對復合材料熱導率和熱擴散系數的影響。表2-8為復合填充對復合材料力學性能的影響。

2.2.4　ABS導熱塑料

ABS作為一種廣泛使用的工程塑料，因其優良的特性，應用于許多領域，不管是汽車、家電、辦公用品，還是儀器儀表、電話，都隨處可見ABS制品。ABS制品耐酸堿腐蝕、耐用、防水、質輕、表面光澤度好，在家電、儀器儀表行業，一般作為外殼使用。塑料制品在長期使用過程中，因空氣中氧的作用，會發生老化現象，尤其在溫度較高時，作用會更明顯。所有用電設備都會因為長期工作而產生熱量，有時熱量聚積散發不出去甚至會導致設備報警，自動停止工作。尤其是一些用到ABS塑料制品外殼的設備，如電視、筆記本電腦等，若將其外殼塑料用ABS導熱復合材料制成，則可通過外殼將熱量散發到空氣中，降低用電設備中的熱量積聚，保證設備正常工作，同時也可延長塑料件的使用壽命。本例以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）為基體，氧化銀、氧化鋅作為填料，制備導熱復合材料。

（1）配方（質量份）

ABS　　　　　　50

Al2O3　　　　　　18

ZnO　　　　　　　12

Al　　　　　　　　20

抗氧劑168　　　0.25

抗氧劑1098F　　0.25

注： Al2O3粒徑40μm， ZnO粒徑2μm，Al粒徑20μm ，ABS中國臺灣奇美757k。

（2）加工工藝

① 填料的表面處理　鈦酸酯偶聯劑為黏稠液態，為了使少量鈦酸酯均勻地包覆在填料表面，一般加入少量稀釋劑。稱取一定量的填料加入高速混合機中于80℃條件下升溫預熱，按粉體質量的1%稱取偶聯劑于燒杯中，然后按偶聯劑∶異丙醇=1∶1稱取異丙醇加入燒杯中使偶聯劑稀釋，然后將稀釋后的偶聯劑分三次加入高速混合機中處理30min，將處理好的粉體放入烘箱中烘干備用。

② 造粒　稱取提前烘干的ABS與處理過的粉體按一定比例混合均勻后加入雙螺桿擠出機中擠出、造粒。

（3）參考性能　表2-9是不同偶聯劑處理對熱導率的影響。從表2-9中可以看出，相比于用硅烷偶聯劑處理后的粉體填充得到的復合材料，使用鈦酸酯與鋁酸酯偶聯劑處理的粉體填充得到的ABS復合材料熱導率要明顯較高，通過不同偶聯劑處理粉體的活化度測試發現，用鈦酸酯偶聯劑102處理后粉體活化度最大，用鈦酸酯處理后的粉體填充，得到ABS復合材料熱導率數據；同樣，填充鈦酸酯偶聯劑102處理后的粉體得到的材料熱導率最大。由此可知，鈦酸酯偶聯劑對Al2O3表面處理效果明顯，且適用于ABS體系。

兩種粉體復配使用比單一組分效果更好，但復配后對材料力學性能影響較大，而氧化鋅與氧化鋁復配，材料熱導率較低；同時，氧化鋁與氧化鋅本身熱導率較低，不利于材料導熱性能進一步提高。因此，可以在填料中適當加入具有較高熱導率的鋁粉，將鋁粉與氧化鋁、氧化鋅混合使用，在較大程度上提高材料熱導率的同時也可盡量減小力學性能的降低，使材料具有更好的使用性能。在50%填充量下，當（Al2O3/ZnO=6∶4）∶Al=6∶4時得到的復合材料具有較好的綜合性能。圖2-8為Al2O3/ZnO/Al三組分填充對導熱性能的影響。圖2-9為Al2O3/ZnO/Al三組分填充對力學性能的影響。

片材在橫向上的合適熱導率，機械方面的應用為1.3～2.0W/（m·K）。在50%填充量下，當（Al2O3/ZnO=6∶4）∶Al=6∶4時，復合材料熱導率可以達到1.0W/（m·K）以上；而此時，其拉伸強度仍有27MPa，沖擊強度有3.5kJ/m2，可以達到其使用要求。

2.2.5　PBT/PC導熱塑料

將PBT與PC進行共混改性，可克服PBT耐熱溫度相對較低、耐沖擊性低、缺口沖擊強度不高的缺點，同時又可彌補PC耐化學藥品性、成型加工性和耐磨性的不足。究其原因，屬于無定形材料，薄制品韌性好，則屬于半結晶材料。由于其含有晶區，則提高其抗化學品腐蝕的能力，兩者共混的性能其實質就是取長補短，理論上可以得到綜合性能優良的材料。在熔融加工條件下，酯交換反應普遍存在于PBT/PC、PBT/PET等聚酯共混物體系中。對于PBT/PC體系而言，酯交換反應先在PBT與PC相接觸的界面層生成PBT與PC的嵌段共聚物，而后隨著酯交換反應的深入，共混體系會逐漸趨于無規共聚物。酯交換過程主要包括分子鏈的端羧基和酯基間的醇解、酸解與酯基間的直接酯交換反應；而其中酯基間的直接酯交換反應在上述三種反應中占據了主導地位。PBT/PC共混體系中的酯交換反應方程如圖2-10所示。

雖然酯交換反應對PBT/PC合金能一定程度上起到相容劑的作用，但由于酯交換反應是隨機發生的，很容易導致制品的性能不均一，而且每一次熱歷史都會使產品的性能發生變化（主要是劣化），給產品循環利用帶來困難。此外，由于酯交換反應會使分子量下降，因而制品的耐化學藥品性和耐熱性能也會下降，在其應用方面大打折扣。

因此，為獲得綜合性能良好的材料，需加入酯交換反應抑制劑對PBT/PC體系中的酯交換反應程度進行控制。常用的酯交換反應抑制劑包括亞磷酸鹽、亞磷酸酯、磷酸和芳基磷酸酯等。大量文獻報道，亞磷酸三苯酯（TPPi）對PBT/PC體系間的酯交換反應可以起到有效的抑制作用。本配方采用TPPi作為抑制劑對PBT與PC間的酯交換反應進行抑制。

（1）配方（質量分數/%）

PBT　　　　　　　　　　33.5

PC　　　　　　　　　　 33.5

Al2O3　　　　　　　　　　33

亞磷酸三苯酯（TPPi）　　適量

注：亞磷酸三苯酯（TPPi）用量為PBT/PC基體質量分數的1%。

（2）加工工藝　將一定量的PBT在120℃真空條件下烘干6h后，與PC、 Al2O3 在高速混合機中與其他助劑進行預混合，后將上述物料加入雙螺桿擠出機中進行塑化，擠出并造粒。雙螺桿加工溫度為 190～240℃。

（3）參考性能　TPPi 的加入可有效抑制體系中酯交換反應的發生，使 PBT/PC 共混物的相態結構改變，進而對填料的分布狀態產生影響。當 PBT/PC 配比為 1/1 時，向其中加入1%（質量分數）的TPPi可使體系的相態結構趨向于形成雙連續相態結構，并有效提升材料的熱導率；在該體系中加入33%（質量分數）的Al2O3 后，材料的熱導率達到0.89W/（m·K），相對于未加入 TPPi 的相同體系提升了13%。

2.2.6　聚甲基丙烯酸甲酯導熱塑料

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一種重要的熱塑性高分子塑料，具有無毒無味、硬度高、制備方法簡單、絕緣性好等特點。氮化硼（BN）是陶瓷材料中熱導率最大的材料之一，同時也是陶瓷中最好的高溫絕緣材料，具有耐腐蝕性強、電絕緣性能優良、熱膨脹系數小、化學性能穩定等優點。氮化硼屬于片狀六方結構，其結構與石墨相似，因此又被稱為“白色石墨”。雖然在其平面上沒有可以利用的官能團進行反應和接枝，但是在平面的邊緣確實存在少量官能團可以用于反應或接枝。當填料用量增加到某一臨界值時，即“逾滲”閾值，填料之間達到真正意義上的接觸與相互作用，體系內部形成類似鏈狀或網狀的結構形態——導熱鏈（網）時，復合材料熱導率才會顯著提高。本例采用氮化硼（BN）作為導熱填料制備聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）導熱塑料。

（1）配方（質量分數/%）

MMA　　　　　　　　　　　　　　80

BN　　　　　　　　　　　　　　　20

PBO　　MMA單體用量的1%（質量分數）

注：PBO沒有算在整個配方含量中。

（2）加工工藝

① 氮化硼表面改性　對氮化硼進行表面改性，采用的是硅烷偶聯劑法，偶聯劑同樣選用3-（異丁烯酰氧）丙基三甲基硅烷（γ-MPS）。考慮到 BN 表面含有的可用于接枝反應的基團少，因此，采用兩步法對 BN 進行表面改性，先對 BN 進行表面羥基化處理，再進行硅烷偶聯劑接枝，表面改性機理如圖2-11 所示。

BN表面羥基化處理具體過程為：首先將BN放于90℃、10%（質量分數）的氫氧化鈉溶液中60min，然后用去離子水過濾洗滌，最后將羥基化后的BN在80℃干燥箱干燥24h。BN表面羥基化處理后硅烷偶聯劑處理的具體方法為：稱取填料質量比例的硅烷偶聯劑KH-570加入到盛有無水乙醇的燒杯中，配制成質量分數約為10%的偶聯劑無水乙醇溶液，用稀鹽酸調節pH值4左右，攪拌使其混合均勻，靜置1h。同時，稱取4g BN分散于120mL甲苯中，超聲處理60min。然后分別將BN甲苯溶液和偶聯劑乙醇溶液先后加入通冷凝水和氮氣的四口燒瓶中，加熱至甲苯回流溫度保持8h；然后冷卻至室溫，放置2h，接著離心分離，干燥后用索式提取器（甲苯為溶劑）抽提10h，放入110℃干燥箱8h烘干備用。

② PMMA/BN復合材料制備　稱取100g甲基丙烯酸甲酯，占單體用量1%（質量分數）的BPO和BN，混合后超聲分散30min。分散均勻后，加入到裝有溫度計、攪拌槳、N2通氣管的500mL的三口燒瓶中，水浴80℃加熱，并通入N2；預聚到一定黏度后，冷水浴中冷卻反應液至50℃，然后將反應液緩慢灌入已制作好的模具中，真空脫泡處理后在50℃烘箱中硬化24h；繼續在100℃條件下熟化1.5h，使反應趨于完全。

（3）參考性能　復合材料的熱導率都是通過瞬態熱線法測得的。圖2-12是PMMA/BN復合材料熱導率隨填料BN質量分數的變化曲線。從圖2-12中可以看出，復合材料的熱導率隨BN含量的增加呈遞增趨勢，并且在填充8%（質量分數）時出現了一個明顯的轉折點，復合材料熱導率增幅變快。當填料用量較少時［如添加8%（質量分數）以下時］，熱導率增加的趨勢不太明顯，隨著填料用量的增加［如添加8%（質量分數）以上］，復合材料熱導率較基體增加明顯。出現這種現象的原因可能為，當填料用量少時，BN顆粒在基體PMMA中為零星分布，彼此間被聚合物包裹或接觸較少，處于隔離的狀態，此時復合材料的熱導率主要由PMMA基體提供，因此復合材料熱導率在填料用量少時提高不明顯；由于BN的熱傳導主要依靠晶格聲子的振動來實現，因此提高復合材料熱導率就需要BN在基體中相互接觸和作用，形成有效的導熱網鏈。當填充BN含量提高后，BN相互接觸，被基體包裹的程度明顯降低，并形成連續的導熱通路，因此復合材料熱導率提升顯著，尤其當BN填充20%（質量分數）時，復合材料熱導率達到0.67W/（m·K），是基體［純PMMA，0.19W/（m·K）］的3.5倍。

2.2.7　PEEK導熱復合材料

PEEK是一種同時具有韌性和剛性的高分子材料。材料宏觀性能上則體現為耐疲勞性以及強的斷裂韌性、耐摩擦性能、耐化學腐蝕等。此外，具有較高的熔點（334℃）和玻璃化轉變溫度（143℃），具有耐高溫、可阻燃等特點，其可以在250℃的溫度下長期使用。PEEK作為一種新型的特種工程塑料，在眾多領域得到了快速的推廣應用。如PEEK或者PEEK基復合材料應用于生產航空航天領域中苛性條件下使用的飛機部件，汽車制造中的汽車軸承、離合器和車身材料，電子電氣領域內的印刷板、密封件以及醫療領域中替代金屬制造而成的人體骨骼等。此外，近年來研究發現，磺化后表現出優異的質子交換能力，將其用于制備燃料電池質子交換膜成為當前材料新的研究熱點和研究方向。然而，PEEK由于自身結構的特點，與大多數高分子材料一樣，導熱性能非常低，常溫下的熱導率只有0.25W/（m·K）。這限制了在要求材料具有一定導熱性場所的應用，因此有必要尋找合適的方法提高其導熱能力，擴大其應用范圍。PEEK的熔點為334℃，如果使用熔融混合方式則通常要求儀器加工溫度達到400℃，此外，雙輥混煉和粉末混合也分別需要高溫密煉機和高速球磨設備，因而需要改用其他混合方式；其次，膨脹石墨EG是一種蠕蟲結構，其內部片層之間相互黏結，石墨與石墨之間又容易團聚。如果直接將其填充至樹脂基體中勢必會自聚而難以形成導熱網鏈，且會在材料內部形成應力集中進而降低材料的力學性能，因而有必要對EG進行分散處理使其粉碎和剝離成更小的石墨片層，將EG分散于某一溶液中超聲處理便是一種行之有效的方式。事實上，PEEK基復合體系懸浮分散法被證明是一種簡單實用的復合方式。本例用乙醇為溶劑先將EG分散于其中進行超聲處理，然后添加PEEK粉末制得EG/PEEK懸浮分散體系，在EG均勻地分散于PEEK中的基礎上制備出較高導熱性能的復合材料。

（1）配方（質量分數/%）

PEEK　　　　　90

膨脹石墨EG　　10

（2）加工工藝

① 膨脹石墨的超聲處理　稱取一定量膨脹石墨放入200mL乙醇水溶液中［70%（體積分數）］，首先在1000r/min攪拌速度條件下乳化劑中對其高速剪切攪拌30min，隨后該溶液在含有內置探頭的超聲波細胞粉碎儀中超聲1h，粉碎儀頻率固定為19kHz，儀器總功率為650W，其超聲時間和超聲功率均連續可調。

② 膨脹石墨和聚醚醚酮的懸浮共混　在添加聚醚醚酮粉末之前需對其進行干燥處理，以除去其中的水分和其他雜質，處理溫度為120℃，處理時間為24h，環境條件為真空。將超聲處理后的膨脹石墨溶液體系，在乳化劑的攪拌作用下緩慢加入一定量的聚醚醚酮粉末。該體系為EG/PEEK懸浮分散體系，攪拌時間為30min，兩者均勻混合后將懸浮液置于布氏漏斗中快速真空抽濾，在烘箱中100℃干燥12h。

③ 膨脹石墨聚醚醚酮復合材料的成型　采用模壓成型工藝，整個成型過程中需考慮模壓溫度、模壓壓力、預熱時間和模壓時間等工藝參數。主要過程如下：將研缽充分研磨后的粉末樣品置于模壓模具中壓實以排出空氣，在此之前模腔預涂硅油作為脫膜劑，待模壓溫度升至設定值后將模具置于中模與下模之間，預熱數分鐘后粉末

樣品轉變為熔融態，此時在一定模壓壓力和時間下模壓成型，模壓后模具置于室溫條件中自然冷卻，最后脫模制得模壓樣品圓片。

具體模壓成型工藝參數如下：

模壓溫度：上模355℃；中模360℃；下模365℃

模壓壓力：1.5MPa

預熱時間：30min

模壓時間：30s

（3）參考性能　圖2-13、圖2-14分別是以EG和鱗片石墨為填料填充基體時PEEK復合材料導熱性能隨其含量的變化以及相應提高幅度的示意圖。以EG或者以鱗片石墨為填料均可以有效提高材料的導熱性能，而且前者的提高效果更佳。當填充量為5%（質量分數）時，材料的提高幅度即超過100%；當填充量為40%（質量分數）時，復合材料的熱導率為5.32W/（m·K），其提高幅度達到2135%。

2.2.8　導熱環氧樹脂復合材料

高導熱聚合物基復合材料因其良好的導熱和電絕緣性能在電機、電子封裝、LED照明、航空航天等領域發揮巨大的作用，具有廣泛的發展前景。特別是在當代環境保護和可持續發展要求的浪潮下，塑料取代傳統鋁材用于LED照明散熱器外殼已成為發展要求的必然趨勢。但高分子材料一般導熱性較差，其熱導率在25℃時均低于0.50W/（m·K），如環氧樹脂只有0.20W/（m·K）。為了滿足微電子、電機、LED等行業的發展需求，制備具有高效導熱且綜合性能優異的聚合物基復合材料是目前研究的熱點。目前國內對導熱聚合物材料的研究剛剛起步，研發水平和生產技術水平均較低，阻礙了導熱材料在LED照明散熱器上的普遍應用。為了盡快開發高效、低成本導熱復合材料，滿足LED照明發展需要的大趨勢，制備綜合性能優異的高導熱聚合物迫在眉睫。本例以環氧樹脂為基體，采用MgO作為主要導熱填料，結合纖維增強，通過各種導熱填料的復配、控制導熱填料在基體中的分布等方法促使導熱網絡的形成，從而提高導熱效率，降低導熱填料的添加量；并運用適當的填料表面處理和分散技術，以基本保持環氧樹脂原有力學性能、電絕緣性能以及質輕的優勢，獲得綜合性能優異的復合材料。

（1）配方（體積分數/%）

環氧樹脂EP　　　　　　　　70

MgO　　　　　　　　　　　30

KH560　　　　　　　　　　適量

固化劑　　EP的14%（質量分數）

注：環氧樹脂（EP）為雙酚A縮水甘油醚，EPON828，環氧值0.52mol/100g；氧化鎂（MgO）粒徑10μm，球狀，表面未處理，白度89.9，熱導率48～60W/（m·K），密度3.58g/cm3；四乙烯五胺：分子量為189.30，天津市福星化學試劑廠。固化劑后加，以進行固化反應。

（2）加工工藝

① 填料表面處理　MgO使用前需100℃真空干燥10h。硅烷接枝改性MgO顆粒，具體方法如下：在500mL燒杯中加入真空干燥后的MgO粒子，約為5%（質量分數）MgO粒子的硅烷偶聯劑以及硅烷用量10倍的無水乙醇。將配有機械攪拌槳的燒杯放置于60℃的水浴中，超聲波處理至少20min，乙醇洗滌一次后，再超聲攪拌10min，取出乙醇洗滌一次，抽濾后靜置30min，放于真空烘箱中，80℃干燥14h，取出后用研缽研磨，并用200目的分子篩過濾后放置玻璃皿中待用。

② 環氧復合材料的制備　稱取一定量的環氧樹脂EPON828（EP），在60℃水浴中預熱10min，然后加入所需的MgO填料，超聲攪拌20min，取出放入真空烘箱抽真空30min左右，待氣泡基本消失后取出，靜置冷卻，加入固化劑［均為EP的14%（質量分數）］，超聲攪拌2min，放入干燥器中抽真空5min，取出，快速倒入模具，將模具放入干燥器中抽真空3min，放氣后，再次抽真空3min，放氣后取出蓋好模具，開始壓制成型，35℃固化24h，70℃后固化2h。

（3）參考性能　圖2-15和圖2-16比較了填料添加量和粒徑大小對復合材料熱擴散系數和熱導率的影響，從圖中可以看出，對于同樣的基體、同樣的加工工藝、同等的填料添加量，粒徑為10μm的環氧樹脂復合材料的熱導率比粒徑為50μm的復合材料的熱導率要高。

當填料添加量同為50%（體積分數），10μmMgO填充的EP/MgO復合材料熱導率比50μmMgO填充的EP/MgO復合材料的熱導率高24%。隨著用量的增加，熱導率呈直線式增長，特別是在40%～50%（體積分數）的時候，熱導率劇增，說明在高填充量時，復合材料體系形成了導熱網絡，很大程度上提高了復合材料的導熱性。

表2-10為MgO用量對EP/MgO復合材料的力學性能的影響。由表2-10可知，隨著MgO含量的增加，沖擊強度呈先降低后升高再降低的趨勢。當MgO用量為10%（體積分數）時，沖擊強度達到最小值5.8kJ/m2，為純環氧樹脂沖擊強度（15.9kJ/m2）的36.5%。其原因是：當復合材料受到外力時，應力可以通過界面層由基體傳遞給MgO，但因為MgO含量較少，沒能充分分散應力，出現裂紋，且其加入使體系沒能很好地黏合，所以沖擊強度下降。當填料用量進一步增加時，MgO起到了改善缺陷的作用。此外，經過表面改性的MgO比表面積大，表面存在不飽和鍵及不同鍵合狀態的羥基，使其與環氧樹脂結合較好，鍵合能力較強，在裂紋擴展過程中，能充分吸收、傳遞、分散材料所受應力，從而提高材料的沖擊強度。但當MgO用量進一步增加時，顆粒在基體中產生團聚現象，復合材料內部產生缺陷，造成應力集中，使材料的沖擊強度下降。因此復合材料的沖擊強度呈先降低后升高再降低的趨勢。

當MgO顆粒用量低于10%（體積分數）時，EP/MgO復合材料的彎曲強度隨MgO顆粒用量的增加而降低，填充量為30%（體積分數）時，彎曲強度為84.7MPa，保持著較好的力學強度，但當填充量為40%（體積分數）時，彎曲強度僅為69.8MPa。這是因為高填充量的填料可能出現沉降和團聚，當材料受外力的時候，就會出現應力傳遞不均，局部出現應力集中，從而導致復合材料破壞。填料的部分團聚不但不能阻止裂紋的擴展，還會起到導致初始裂紋的作用，使得材料的彎曲強度降低。

復合材料的拉伸強度呈現先降低后升高再降低的趨勢，當MgO添加量低于20%（體積分數）時，體系的拉伸強度降低；但當MgO用量從20%（體積分數）升至30%（體積分數）時，復合體系拉伸強提高了12.4%，MgO用量進一步增加，拉伸強度迅速下降。

綜上所述，采用MgO用量5.0%（質量分數）的KH-560對MgO粒子進行表面處理可獲得較高的熱導率；粒徑10μm的MgO較有利于改善復合材料的導熱性能；當添加量為30%（體積分數）時，沖擊強度為11.0kJ/m2，彎曲強度為84.7MPa，拉伸強度為50.0MPa。　

2.2.9　聚苯硫醚PPS抗靜電導熱塑料

在電子技術領域，由于電子線路的集成度越來越高，熱量的聚積也越來越多。熱量的聚積導致器件溫度升高，工作穩定性降低。根據Arrhenius公式，溫度每升高10℃，處理器壽命降低一半。因此，用于處理器的材料要求具有高導熱性能，以便熱量迅速傳導出，達到降溫目的。對于高集成度芯片，其設計熱能很高，以致普通散熱裝置難以保證有效散熱。對于需要導熱的器件，多是通過高導熱陶瓷，如氮化鋁、氮化硼等承擔。由于陶瓷產品的加工難度高，易破裂，人們開始尋求由容易加工、耐沖擊的塑料來制備導熱材料。

目前采用的基體塑料為聚丙烯、聚氯乙烯等通用塑料。因此熱導率低，工作溫度低，填料硬度高，對設備磨損大，容易產生靜電。靜電的產生帶來了許多麻煩，如靜電放電，其通過放電輻射、靜電感應、電磁感應和傳導耦合等途徑危害電子設備，使得設備產生各種故障，縮短使用壽命。隨著電子電器產業的迅猛發展，對抗靜電導熱塑料的需求越來越高，比如電路板材料、散熱器件（如CPU散熱器）、CPU風扇、電子隔離板、半導體設備外殼、移動通信設備的外殼，要求既導熱又能抗靜電，加工容易，成本低并具備良好的耐熱性能，熱變形溫度一般大于260℃，可在180～220℃溫度范圍使用，PPS是工程塑料中耐熱性最好的品種之一；耐腐蝕性接近四氟乙烯，抗化學性僅次于聚四氟乙烯；電性能優異；力學性能優異；阻燃性能好。本例采用的塑料基體為聚苯硫醚PPS，填料為硫化鋅制備的抗靜電導熱塑料。

（1）配方（質量分數/%）

苯硫醚　　　　　　　　　　59

硫化鋅　　　　　　　　　　40

硅烷偶聯劑　　　　　　　　0.5

改性亞乙基雙脂肪酸酰胺　　0.5

（2）加工工藝　先將400kg粒徑分布為50μm占30%、400μm占70%的硫化鋅和5kg硅烷偶聯劑加入高速混合機中，在溫度為100℃下混合；再加入590kg聚苯硫醚和5kg改性亞乙基雙脂肪酸酰胺分散劑到高速機中混合，然后將混合物轉移到擠出機，在溫度為290℃時擠出造粒，即得到一種抗靜電導熱塑料。

（3）參考性能　ZnS含量對PPS熱導率和電性能的影響見表2-11。

2.2.10　聚碳酸酯高強度絕緣導熱塑料

導熱塑料是隨著LED行業的快速發展而逐漸興起的，導熱材料可以作為LED部件如外殼、散熱器、基板、反射器、插件和其他部件。近幾年來國際上許多塑料公司研發的導熱塑料制品大多選用工程塑料和通用塑料基材，如PA、PPS、PBT、PEEK、ABS、PP等。普通塑料的熱導率一般在0.2W/（m·K）左右，而填充導熱填料的導熱塑料則可在1～20W/（m·K）左右。

—般可將導熱塑料分為絕緣導熱塑料和導電導熱塑料。一般絕緣導熱塑料的填料有：高導氧化物（BeO、MgO、Al2O3、CaO、NiO）；碳化硅（SiC）；氮化物［氮化硼（BN）、氮化鋁（AlN）等］；導電導熱絕緣塑料的填料有：石墨及其衍生物（石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯等）中的一種、兩種或多種材料混合（少量避免導電效應）。

通常為提高導熱塑料的導熱性能，會選擇導熱性能好的導熱塑料，同時為提高填充量，而導致導熱塑料在實際應用過程中會出現流動性差及強度不滿足要求的情況，稍微施加外力，就會導致產品被折斷，這樣會大大限制導熱塑料作為受力結構件的應用，同時也無法滿足高量產的生產需求。本例采用聚碳酸酯（PC）為基體制備高強度絕緣導熱塑料，通過使用兩種形狀不同的導熱填料，使導熱塑料在較少添加量（<30%）的情況下能達到較高的熱導率［>0.5W/（m·K）］。可以應用于手機、平板電腦、VR/AR等移動終端上，用于制作這些移動終端的電池蓋、后蓋等移動終端的結構件，具有高強度和良好的導熱性能。

（1）配方（質量分數/%）

聚碳酸酯　　　　　　　　　　　　80

氮化鋁　　　　　　　　　　　　　 5

氮化硼　　　　　　　　　　　　 　 5

硅烷偶聯劑　　　　　　　　　　適量

甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯共聚物　 1

油酸　　　　　　　　　　　　　 　1

棕櫚酸　　　　　　　　　　　　　 0.5

抗氧化劑　　　　　　　　　　　　0.5

流動性改性劑　　　　　　　　　　　1

相容劑　　　　　　　　　　　　　　1

（2）加工工藝　將硅烷偶聯劑按照1∶8的比例分散在無水乙醇中，然后將導熱材料與分散在乙醇中的硅烷偶聯劑按體積比80%∶20%混合，在溫度為90～120℃、攪拌速度為300～600r/min的條件下攪拌30～60min，然后抽濾處理過的填料；將塑料基體與處理過的填料、增韌劑、抗氧化劑、流動改性劑混合，以得到混合物；將混合物轉移到擠出機，在溫度為230～260℃條件下擠出造粒。

（3）參考性能　制得的高強度絕緣導熱塑料的熱導率為0.766W/（m·K），機械強度在10MPa以上。可以應用于手機、平板電腦、VR/AR等移動終端上，用于制作這些移動終端的電池蓋、后蓋等移動終端的結構件，具有高強度和良好的導熱性能。

2.2.11　PA6手機外殼用導熱塑料

隨著手機制造工藝的發展，對制造手機外殼的材料也提出了更多要求。目前制作手機外殼的材料要求具有強度高、耐熱導熱性良好、尺寸穩定、外觀好等特點，當下主要采用ABS、PC、PC/ABS等工程塑料、合金與碳纖維或玻璃纖維的復合材料等，另外還有一些手機則使用金屬材料，如鎂、鋁、不銹鋼等合金。手機外殼的新技術向輕量薄壁化方向發展，以達到保護、散熱、美觀的作用。而目前的金屬外殼存在的主要問題是：質量重、成本高、不易加工、不絕緣等。另外，采用普通塑料材質的外殼，其導熱性能差，無法將手機內部產生的熱量及時散發出去，將對手機的性能造成一定影響。本例提供一種手機外殼導熱塑料的制備方法，旨在解決目前加工手機外殼材料不能滿足加工要求的問題。

（1）配方（質量份）

PA6　　　　　　　　35～50

氧化鋁（Al2O3）　　15～25

石墨　　　　　　　　15～20

阻燃劑　　　　　　　5～15

偶聯劑A-151　　用量為氧化鋁的2%

（2）加工工藝　將PA6、阻燃劑、偶聯劑A-151、導熱填料Al2O3和石墨用高混機混合10min。對混合后的材料進行擠出造粒并干燥得到導熱塑料粒子。

擠出工藝參數：擠出溫度220～270℃，主喂料頻率8Hz，側喂料頻率10.5Hz，主機轉速30r/min，主機電流頻率28.7～29.3Hz。干燥：鼓風恒溫干燥箱中100℃干燥10h。使用導熱塑料粒子進行注塑得到導熱塑料手機外殼。注塑成型工藝參數：射嘴溫度240℃，料筒前中后段溫度分別是230℃、220℃、210℃，模具溫度80℃，背壓1～3MPa。加工溫度根據該物料的熔融溫度、最大塑化溫度、分解溫度等來調試，也可通過轉矩流變儀來直接測定。背壓根據樹脂的成型收縮率大小來調試，在此背壓下注塑使制品尺寸更穩定。

（3）參考性能　導熱塑料手機外殼導熱性能是以PA6為基材，氧化鋁和石墨為導熱填料的復合材料制備的，其熱導率為7.5W/（m·K）（平面方向）、1.5W/（m·K）（Z軸方向）；并且由PA6和氧化鋁、石墨形成的塑料所制備的手機外殼強度高，不易產生劃痕，同時也保持了很好的韌性，觸感細膩，極為適合生產手機外殼。

2.2.12　聚丙烯抗老化導熱塑料

電子線路的集成度越來越高，熱量的聚集也越來越多。熱量的聚集導致器件溫度升高，工作穩定性降低。因此，對其材料要求具有高導熱性能，以便熱量迅速傳導出。然而，市面上的電子產品中使用的導熱塑料由于采用的基材多為非耐高溫材料，導致其制得的產品的熱導率不高。長期在較高工作溫度下使用，易造成塑件老化性能下降，發生龜裂，降低使用壽命。為此需要開發一種抗老化且導熱性能好的塑料產品。

（1）配方（質量份）

PP　　　　　　　　164

鄰苯二甲酸二辛酯　　24

CPE　　　　　　　　13

寶紅　　　　　　　　14

滑石粉　　　　　　　14

載銀磷酸鋯　　　　　13

抗氧化劑DLTP　　　　17

甲基苯二醇　　　　　19

（2）加工工藝　抗老化導熱塑料的制備：將164質量份PP、24質量份鄰苯二甲酸二辛酯、13質量份CPE、14質量份寶紅、14質量份滑石粉、13質量份載銀磷酸鋯、17質量份抗氧化劑DLTP和19質量份甲基苯二醇混合放入攪拌機，攪拌均勻后放入密煉機密煉，密煉溫度為170～175℃、轉速為900～950r/min；然后將密煉后的混合物經造粒機造粒，得到顆粒，將顆粒放入水槽冷卻，然后在常溫下干燥。

（3）參考性能　材料熱導率3.78W/（m·K），拉伸強度（GB/T 1040.1—2006）：25～30MPa，沖擊強度（GB/T 1043—2008）：6.5～7.5kJ/m2；500h光老化沖擊強度保持率：100%。

2.2.13　HDPE抗菌導熱塑料

在家電生產的很多環節要用到塑料。但是日常生活中，相當一部分有害細菌是在塑料制品的表面存在并繁殖的，如電話、洗衣機、電腦、冰箱、電器開關等，且通過接觸而導致各種疾病；因此對日常生活中接觸頻繁的塑料部件提出了“抑菌、殺菌”的需求，這就要求我們生活中使用的各種塑料產品具有抗菌防霉的功效。家電用抗菌塑料具有良好的應用前景，隨著國家有關標準GB 21551.2—2010《家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能　抗菌材料的特殊要求》的正式出臺，抗菌塑料在家電市場的前景也將更加廣闊。家用電器電子線路的集成度越來越高，熱量的聚集也越來越多。熱量的聚集導致器件溫度升高，工作穩定性降低。因此，還需考慮家電塑料的導熱散熱性。本例提供一種抗菌導熱塑料的制備方法。制品的抗菌、導熱性較好，且制備工藝簡單，產品成本低，產品的綜合性能較優異。

（1）配方（質量份）

HDPE　　　　　　160

甲醛　　　　　　　21

氫氧化鋁　　　　　10

氯化石蠟　　　　　12

三乙烯四胺　　　　14

氧化鋯　　　　　　11

甲醇　　　　　　　10

過氧化二異丙苯　　10

（2）加工工藝　將160質量份HDPE、21質量份甲醛、10質量份氫氧化鋁、12質量份氯化石蠟、14質量份三乙烯四胺、11質量份氧化鋯、10質量份甲醇和10質量份工業級的過氧化二異丙苯混合放入攪拌機，攪拌均勻后經過常規的密煉、開煉，然后將開煉后的混合物經造粒機造粒，得到顆粒，將顆粒放入水槽冷卻，然后在常溫下干燥。

（3）參考性能　拉伸強度（GB/T 1040.1—2006）：35～37MPa；斷裂伸長率（GB/T 1040.1—2006）：15%～16%；沖擊強度（GB/T 1043—2008）：3～4kJ/m2；彎曲強度（GB/T 9341—2008）：45～46MPa；氧指數（GB/T 2406—2008）：39%～41%；垂直燃燒級別UL94V-0。

2.2.14　聚酰胺6絕緣導熱塑料

目前絕緣導熱塑料中的導熱粉體主要有氮化鋁和氧化鎂，雖然兩者在絕緣性和導熱性上可滿足一些應用要求，但還存在以下問題：①要求導熱粉體填充量高才能達到一定的熱導率；②高導熱粉體填充量會導致熔體黏度大，給加工帶來技術難度；③由于氧化鋁的硬度較高，會導致導熱粉體變色以及對加工設備造成磨損。本例的絕緣導熱塑料由塑料基體、絕緣導熱填料和加工助劑制備而成。塑料基體材料采用聚酰胺6，其熱導率為0.27W/（m·K）。絕緣導熱填料采用改性氧化鋅，其粒徑為1μm，熱導率為30W/（m·K）。改性氧化鋅由十六烷基三甲氧基硅烷偶聯劑對亞微米氧化鋅粉體進行表面有機化改性而制得。

（1）配方（質量分數/%）

聚酰胺6　　　73

改性氧化鋅　　25

抗氧劑　　　　1

潤滑劑　　　　1

（2）加工工藝

① 絕緣導熱填料改性處理　先將氧化鋅放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，在100℃下干燥3h；然后將氧化鋅粉體移入高速混合器中，在1500r/min的轉速攪拌下噴霧加入十六烷基三甲氧基硅烷偶聯劑質量分數為20%的稀釋液；再升溫至110℃繼續攪拌0.5h，最后在110℃下干燥4h，即制得改性氧化鋅粉體，密封保存待用。

② 原料攪拌處理　先將聚酰胺6放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，在120℃下干燥4h；然后按質量配比取制得的25%改性氧化鋅、73%干燥后的聚酰胺6以及2%加工助劑放入高速混合機中攪拌15min，攪拌速度為2500r/min；其中，加工助劑包括抗氧劑和潤滑劑，其質量分數均為1%。

③ 擠出造粒處理　制得的混合原料經雙螺桿擠出機直接擠出造粒，擠出溫度為270℃，擠出的粒料直接通入真空干燥箱。制備的粒料在120℃下干燥4h。

（3）參考性能　成品后，絕緣導熱塑料的熱導率達到2.05W/（m·K），電阻率為7.29×1010Ω·m，表現出優良的導熱性和絕緣性。

2.2.15　聚酰胺6晶須增強導熱塑料

聚己內酰胺樹脂的機械強度高、韌性好。晶須由于具有長徑比大、耐高溫、抗化學腐蝕、強度高、易表面處理的優點，與PA6復合后使聚合物性能得到很大提高，且易制成形狀復雜、細小、精確度好、表面光潔度高的制品。通過加入晶須，改變聚己內酰胺的結晶速率，在提高其熱導率的同時實現對其力學性能的改進和提高，解決現有導熱塑料導熱性能低、力學性能較差的問題。本例制備的晶須增強導熱塑料可廣泛應用于LED燈具領域。

（1）配方　聚酰胺6晶須增強導熱塑料配方見表2-12。

（2）加工工藝　利用偶聯劑對導熱絕緣填料及無機晶須進行表面處理：將偶聯劑進行霧化后，將導熱絕緣填料及無機晶須通入霧化室中，使導熱絕緣填料及無機晶須在霧化室內停留1～2min，使導熱絕緣填料微粒及無機晶須表面均勻覆蓋著偶聯劑，再將經表面處理的晶須及導熱絕緣填料裝入雙螺桿擠出機的側喂料系統；將PA6樹脂原料在105℃下鼓風干燥5h；將干燥后的PA6樹脂、抗氧劑及其他加工助劑加入高速混合機中混合均勻，混合的物料裝入雙螺桿擠出機的主喂料系統；獲得的樹脂混合物及經過表面處理后的無機晶須和導熱絕緣填料分別通過雙螺桿擠出機的主喂料系統和側喂料系統加入到擠出機中擠出造粒，通過控制主、側喂料系統的喂料頻率控制絕緣導熱填料的含量，經熔融、擠出、造粒、水冷、風干、切粒、干燥得到晶須增強導熱塑料；雙螺桿擠出機的加工工藝條件如下：溫度為一區160～180℃，二區170～220℃，三區200～250℃，四區200～250℃，五區210～250℃，六區190～250℃，機頭200～240℃；螺桿轉速為300r/min；物料在料筒的停留時間控制在2min以內。

（3）參考性能　根據表2-12中的配方生產得到的6種不同產品的物性測定結果如表2-13所示。結果表明，晶須增強導熱塑料在彎曲強度、斷裂伸長率等力學性能及導熱效果方面相比于未添加晶須的產品具有更佳的效果。

2.2.16　尼龍6低成本環保導熱塑料

本例為一種低成本環保尼龍6導熱塑料，采用具有一定阻燃功能的極性無機填料和其他導熱填料混合，既提高塑料的整體阻燃性能，無有毒物質產生，同時也減少了價格昂貴的導熱填料用量，降低成本，又不影響力學性能；同時，制備方法簡單，操作方便，生產成本低，產品性能穩定，能夠滿足LED燈使用要求，適合推廣使用。

（1）配方（質量份）

尼龍6　　　　　　　　　　　　　　40

阻燃劑氫氧化鋁　　　　　　　　　　26

導熱填料滑石粉　　　　　　　　　　9

硅烷偶聯劑KH-550　　　　　　　　 0.01

抗氧劑為抗氧劑1098　　　　　　　　0.25

增韌劑馬來酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物　　2

潤滑劑TAF　　　　　　　　　　　　　0.6

光穩定劑金紅石型鈦白粉　　　　　　　2

無堿玻璃纖維　　　　　　　　　　　　12

注：尼龍6相對黏度為2.4。

（2）加工工藝　首先將硅烷偶聯劑均勻噴淋在導熱填料上，對導熱填料進行預處理；接著將處理過的導熱填料放置到高速混合機內，同時在高速混合機內加入尼龍、阻燃劑、抗氧劑、增韌劑、潤滑劑和光穩定劑，開啟高速混合機，以轉速8000r/min旋轉10min后，制備成均勻混合物備用；制備好的混合物用雙螺桿擠出機擠出造粒，在此過程中玻璃纖維從玻璃纖維加入口加入，此過程的加工溫度200℃，螺桿轉速200r/min；擠出機各段溫度如下：第一段200℃、第二段225℃、第三段230℃、第四段230℃、第五段230℃、第六段230℃、第七段230℃、第八段228℃、第九段226℃、第十段222℃、機頭溫度226℃。

（3）參考性能　制備出的導熱塑料熱導率為0.8W/（m·K）。

2.2.17　導熱塑料專用石墨烯微片

石墨烯是由一層碳原子以sp2雜化形成的蜂窩狀六角平面結構的二維材料，其厚度僅為0.335nm，是目前世界上已知的最薄材料。石墨烯具有高的力學模量（1.0TPa）、熱導率［5300W/（m·K）］、比表面積（2630m2/g）和電荷遷移率［250000cm2/（V·s）］，在能源、電子材料、生物醫學以及環境保護等諸多領域具有潛在的應用前景。

導熱塑料具有易成型、密度低、絕緣耐高壓、使用方便等特點，在電力工業、電子工業等領域中有著越來越廣泛的應用前景和潛力，尤其是在LED燈泡、電池組散熱外殼等產品中被廣泛采用。導熱塑料中的高分子材料大多是熱的不良導體，要拓展其在導熱領域的應用，必須對高分子材料進行改性。石墨烯作為一種導熱材料與高分子基體復合，得到了性能較好的導熱塑料。目前，主要是在高分子材料中加入石墨烯粉末，因為碳具有良好的熱傳導性能，使得經過石墨烯改性處理的高分子材料也具有良好的導熱性能。

本例以天然鱗片石墨為主要原料，利用尿素進行插層改性，通過雙螺桿振動擠出機進行剪切剝離，利用尿素在加熱條件下快速分解放出大量氣體，使大量石墨層發生剝離，通過不同階段的溫度控制，將鱗片石墨逐層剝離成石墨烯微片，減少石墨烯微片的結構缺陷，提高石墨烯的導熱性能；然后通過有機微膠囊對石墨烯微片進行包覆，降低石墨烯的導電性，提高石墨烯微片與導熱塑料高分子的相容性，提高石墨烯的利用率，降低石墨烯在導熱塑料中的應用成本。制備的石墨烯微片可以直接添加到導熱塑料中，解決了目前石墨烯應用到導熱塑料中必須通過溶液分散的問題。

（1）配方（質量份）

天然鱗片石墨　　70

納米氧化鋁　　 10

水性硬脂酸鎂　　5

（2）加工工藝　將70質量份的天然鱗片石墨、10質量份的納米氧化鋁、5質量份的水性硬脂酸鎂通過膨化擠壓機混合30～50min得到預混物；得到的預混物與濃度為20mol/L的尿素溶液按1∶5的質量比混合后，在60～80℃、攪拌下反應1～2h，離心分離，所得沉淀物用無水乙醇洗滌、干燥后，制得尿素插層石墨復合物；然后將尿素插層石墨復合物泵入雙螺桿振動擠出機，雙螺桿振動擠出機由進料端向出料端依次設置研磨段、插層段、剝離段，控制研磨段溫度60～80℃、插層段溫度150～180℃、剝離段溫度180～360℃；在螺桿擠出機擠出過程中，插層在石墨復合物中的尿素分解釋放出大量氣體，使大量石墨層發生剝離，通過振動擠出機的高速旋轉剪切力場和振動拉伸力場，使已發生剝離的鱗片石墨快速剝離成石墨烯微片；經雙螺桿振動擠出機得到的石墨烯微片加入到100份的聚甲基丙烯酸水溶液中，在60～80℃攪拌分散20～40min，然后冷卻、靜置、抽濾，在60～80℃干燥，得到有機微膠囊包覆的石墨烯微片；得到的有機微膠囊包覆的石墨烯微片粉碎至粒徑小于10μm的粉末，即可作為導熱塑料專用石墨烯微片。

（3）參考性能　導熱塑料專用石墨烯微片/尼龍復合材料性能見表2-14。

2.2.18　含鱗片石墨導熱塑料填料的制備

隨著汽車、電子行業的飛速發展，高集成、超高集成電路和LED產業應運而生，這為科技進步、社會發展做出了巨大貢獻，同時也帶來了嚴峻問題。電子產品、LED節能燈在使用時會產生大量熱量，這些熱量如果不能夠及時散發，會降低產品的效率，并且還會降低其使用壽命。因此，人們對導熱材料提出了越來越高的要求，希望獲得具有良好導熱性能的材料以滿足實際需要。導熱塑料因其既具有金屬和陶瓷的熱傳遞性能，又具有重量輕、成型加工方便、產品設計自由度高等優點，因此在制備散熱材料時越來越受到市場的重視。

石墨具有熱導率高、熱膨脹系數低、熱穩定性高以及價格低廉等優點。因此，以石墨作為填料的導熱塑料的研究引起了人們的關注。石墨在自然界中具有多種形態的存在形式。其中，鱗片狀石墨具有石墨化程度高、結晶取向度好以及較低的電阻率和熱膨脹系數等優異的性能，非常適合作為導熱填料，使用少量填料即可達到較優的導熱性能。但其質輕，堆積密度過小，擠出加工生產時會黏附在喂料料斗內壁，下料難，無法實現正常生產，因此無法直接進行利用，需要進行處理。現有處理技術大都是先以濃硝酸為氧化劑、濃硫酸為插層劑，經過700～1000℃的高溫處理得膨脹石墨，再利用Hummers氧化法制備表面含豐富—OH、環氧基，側面含—OH、—COOH的氧化石墨，然后利用有機物表面修飾氧化石墨，再進行使用。采用此方法對鱗片石墨進行前處理，處理過程極為煩瑣，對設備要求也很苛刻（需耐1000℃高溫），大大增加導熱塑料的生產成本，而且石墨結構已由片狀變為蠕蟲狀，制備的導熱塑料導熱性能不佳。復合材料的導熱性能依賴于導熱填料的含量，而填充量過高時（超過50%），又不可避免地會帶來加工困難（如出現斷條現象）和力學性能差等問題，使得導熱復合材料在一些對導熱性能和力學性能均有較高要求的領域內不適用。

本例針對現有鱗片石墨導熱填料應用缺陷和高導熱高填充技術存在的不足，提供一種可實現高填充量的含鱗片石墨導熱填料及由其制備的高導熱復合材料。該含鱗片石墨導熱填料制備工藝簡單，可做到高達65%的填充量，不出現生產斷條現象，由其制備的高導熱復合材料具有優異的導熱性能和良好的力學性能，拓寬了導熱復合材料在散熱器、電子電器、汽車、LED照明等領域中對散熱和力學性能有更高要求部件中的應用。

（1）配方　不同組分配方見表2-15。

（2）加工工藝　石墨導熱填料的制備：分別稱取D50粒徑為8.56μm的鱗片石墨粉6份和D50粒徑為175μm的非鱗片石墨粉24份，于80℃溫度下高速混合均勻得到石墨混合物；稱取5份低黏度的雙酚A型液態環氧樹脂投入行星動力混合機內，升溫至100℃，于攪拌狀態下將石墨混合物分3次慢慢地投入行星動力混合機內，攪拌制成均勻黏稠狀混合物后投入2份四（2-羥乙基）己二酰胺固化劑，繼續攪拌至小粒塊狀膏體物即可。

高導熱復合材料的制備：按照表2-15的物料配比，將PA6樹脂、制得的石墨導熱填料及其他助劑加入混合機混合后，從主喂料口加入雙螺桿擠出機中，玻璃纖維增強填料從側喂料加入雙螺桿擠出機，熔融共混后，經冷卻、風干和造粒，性能測試如表2-16所示。

由于尼龍性能類似，此例中的PA6也可以用PA66、PA46或者它們的混合物進行替代。