[发明专利]一种高填充高导热聚丙烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高填充高导热聚丙烯复合材料及其制备方法，包括聚丙烯、层状碳系填料、球状填料；球状填料为导热系数远低于层状碳系填料的无机氧化物。本发明在不加入增容剂的情况下，利用一定量的导热系数较低的无机氧化物球状填料改变石墨在聚丙烯基体中的取向，从而大幅度提升聚丙烯复合材料的导热率。本发明仅需使用常用的熔融混炼设备，工业制备简单，且在在提高材料导热率的同时，能够大幅度的降低材料的制备成本。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，尤其涉及通过球状和片层导热填料杂化来获得高填充高导热聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

导热材料被广泛应用于热传导工程、供热工程和电子信息工程。很长一段时间内，金属材料由于其优异的导热性，在非绝缘领域中得到了广泛的应用。然而金属导热材料不耐腐蚀，材料质量重，在加工过程中能耗大成本高，不符合环境保护的要求。与此同时，也不能满足国民经济和科学技术的高速发展对基础材料日益提高的需求。与金属材料相比，高分子材料具有质量轻，耐腐蚀，成型加工容易等金属材料所不能达到的优点。

聚丙烯(PP，polypropylene)作为一种性能优良的热塑性合成树脂，是无色半透明的热塑性轻质通用塑料，被广泛的应用于电子、汽车、电子器件、包装以及食品工业等众多领域。聚丙烯因具有优良的耐化学性能，除强氧化性物料外，几乎直到120℃都对其无破坏作用。在室温下几乎不溶于任何溶剂，一般的烷、酚、醛、酮类的介质均可以使用，所以特别适用于化工、制药、染化、冶金、环保、化纤等行业中各种用途的换热设备及容器，并有望代替原有的不锈钢、搪瓷、碳钢、玻璃等设备。但是纯聚丙烯的导热率只有约0.24W/(m*K)，限制了其在导热材料等方面的应用。因此，开发导热性能良好的聚丙烯复合材料具有非常实际的应用价值。碳系填料因其较高的导热系数常被用作导热填料，但因为碳系填料的不同长径比、平面取向度等会对复合材料的性能造成较大影响，使其不能在复合材料中发挥出优异的特性。单一维度的填料往往会在加工过程中形成单一的平面取向，从而增大材料导热的各向异性。如片状石墨，其片层结构能与聚合物的基体有较大的接触面积，因此能够作为填料发挥较好的导热性能。片状石墨作为一种常用的导热填料，它可以通过内部电子和声子传递热量，其不对称的片状结构很容易在基体中形成导热网络。但是，由于石墨片层间较强的范德华力以及π-π相互作用，使石墨片层易于团聚与堆叠，并使其平面取向度较高，不利于充分利用其高热导率。目前，多维填料已被广泛应用于提高聚合物的各项性能，多维填料的加入可使填料之间产生协同作用，能够进一步提高复合材料的综合性能。

提高聚合物导热率的研究有很多。针对聚合物的导热性能，杨信义等人通过溶液共混法制备了环氧树脂/多层片状石墨烯/多壁碳纳米管三元复合材料。利用多层片状石墨烯的二维结构和多壁碳纳米管(MWCNTs)的一维结构构建三维网络填料体系，提高复合材料的导热率。傅强等人通过熔融共混法制备高密度聚乙烯/可膨胀石墨/多壁碳纳米管的三元复合材料。同样利用二维和一维结合得到具有网络-网络协同效应的填料系统，提供了一种复合材料提高热导率的方法。针对聚丙烯的导热性能，杨等人制备了具有三维隔离结构的PP/石墨复合材料，当石墨填充含量为21.2vol％时，复合材料的热导率显著提高至5.4W/(m*K)。导热系数的如此大的提高归因于石墨薄片在PP树脂颗粒周围有大颗粒的取向，并形成了完美的导热网络。Muratov等将六方氮化硼颗粒(BN)填充到聚丙烯中以增加聚丙烯复合材料的导热性。并且发现使用硅烷偶联剂对填料表面进行预处理，能够进一步提高h-BN/PP复合材料的导热性能。查等人通过同时将多壁碳纳米管和BN引入PP中以提高复合材料的导热性，建立了一维/二维的填料网络。