[发明专利]纤维嵌入制备具有密实隔离结构的高导热高分子复合材料

说明书

本发明公开了一种通过纤维嵌入制备具有密实隔离结构的高导热高分子复合材料，该复合材料是由导热填料，纤维以及高分子颗粒构成，通过纤维嵌入使该导热高分子复合材料具有密实的隔离结构。其主要优势在于纤维贯穿的隔离结构相较于传统隔离结构在实现更高导热性能的同时兼具良好的机械性能，同时本发明所述的复合材料中，聚合物、填料无需进行特殊处理，且制备方法工艺简单，操作控制方便，生产效率高，生产成本低，具有较强的工业化能力和广阔的市场前景。

技术领域

本发明涉及一种通过纤维嵌入隔离结构而同步增强复合材料导热性能以及机械性能的方法，属于导热聚合物基复合材料及其制备技术领域。

背景技术

对于导热高分子复合材料而言，提高导热填料的含量，形成连续的导热网络是一个普遍并有效的方案，而促使复合材料形成隔离结构，即导热粒子在聚合物表面形成包覆层，使填料粒子形成连续结构而获得高效的导热通路是聚合物中利用导热填料形成连续的导热网络并最大化利用导热填料的最优方案。然而，填料粒子网络将聚合物粒子彼此之间隔离开导致具有隔离结构的材料的力学性能极差，而隔离结构填料与基体之间以及填料与填料粒子之间由于密实程度低而存在的间隙也会导致复合材料整体的热导率相对较低。

对于隔离结构导热高分子复合材料的导热网络不够密实而热导率以及机械性能低的问题，已报道的解决方法有:通过多种不同尺度及种类的填料的复配所获得的协同效应而达到减小填料含量，提高导热性能的目的(ACS Appl.Mater.Interfaces 2017,9,7637-7647)，但是，一方面增加了生产成本，另一方面，填料含量减少又在一定程度上牺牲了材料的热导率。还有一些学者通过提高成型压力促使填料网络更加密实的方法使具有隔离结构的复合材料获得较高的热导率(Ind.Eng.Chem.Res.2018,57,10391-10397)，此种方法虽然在一定程度上提高了复合材料的导热性能，但仍未改善材料的机械性能，且其工艺过程繁琐，增加了生产成本。对制备隔离结构的导热高分子复合材料而言，如何运用经济易行的方法同步提高材料的导热以及机械性能是具有隔离结构的导热高分子复合材料亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明利用基体，纤维以及导热填料制备了纤维嵌入的具有密实隔离结构的导热高分子复合材料。在该复合材料中，导热填料包覆在基体颗粒以及纤维表面，相较于未添加纤维的具有隔离结构的高分子复合材料而言，纤维的嵌入不仅使填料网络更加密实，填料在纤维取向方向更为有序，同时纤维在基体颗粒之间的缠结与包覆作用使被隔离开的基体颗粒串联起来，彼此之间作用力得到强化，从而获得良好的导热性能以及机械性能。

本发明的技术原理是利用高速搅拌机将聚合物颗粒在胶粘剂存在的条件下同纤维均匀混合，形成高分子/纤维共混物，进一步的将该共混物与导热填料在高速搅拌机中均匀混合，一方面促使纤维在聚合物颗粒表面缠结与包覆，另一方面形成填料包覆在基体颗粒以及纤维表面的核壳结构，进一步的将该具有核壳结构的共混物置于真空烘箱中干燥处理。经过热压，形成了具有纤维贯穿隔离结构的复合材料，导热填料由于纤维的嵌入形成更为密实的连续相，基体材料通过纤维的贯穿作用更加的连续，进而同步提高材料的导热以及机械性能。

本发明基于上述技术原理，实现其发明目的所采用的技术方案是:

本发明制备一种通过纤维嵌入的具有密实隔离结构的导热高分子复合材料，其特征在于：所述复合材料是由纤维与聚合物基体以及导热填料形成密实隔离结构，且导热填料具有贯穿整个体系的连续粒子网络；所述的复合材料的制备方法包含以下步骤：

(1)将高分子颗粒与纤维以及胶粘剂利用高速搅拌机按所需重量比均匀混合(纤维不低于复合材料总质量的5wt％)，使高分子颗粒以及纤维表面均匀包覆胶粘剂。

(2)将上述混合物按所需重量比加入导热填料(导热填料不低于复合材料总质量的10wt％)，并再次利用高速搅拌机搅拌处理，使纤维以及高分子颗粒表面完全包覆导热填料，形成填料包覆颗粒以及纤维的核壳结构，并置于真空干燥箱中干燥处理8h以上。