一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构

1.一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，包括蜂窝状散热本体，蜂窝状散热本体的蜂窝孔为上下方向竖直设置，其特征在于，所述热塑性导热电绝缘复合材料按重量份计由以下组分混合制成：热塑性树脂50-70份，改性竹纤维15-25份，高导热剂8-15份，介电材料3-10份，偶联剂0.5-1份，交联剂0.4-0.6份，润滑剂0.5-1.5份，抗氧剂0.3-0.8份；
所述的改性竹纤维通过以下工艺制备而得：
(1)将竹颗粒放入质量浓度为10-15％的氢氧化钠溶液中加热至100-150℃蒸煮1-2h，再将蒸煮过的竹颗粒沥干，放置到蒸汽爆破机中，蒸汽爆破机中导入的水蒸气温度控制在
140-160℃，压力控制在0.4MPa-0.6MPa，处理时间为20-30分钟；
(2)打开蒸汽爆破机的放料阀，使蒸汽爆破机中物料爆破喷出，获得竹纤维；
(3)将竹纤维在70-90℃下烘干；
(4)将步骤(3)制备得到的竹纤维在-10℃～-5℃下与溶剂混合均匀获得混合液，所述混合液中竹纤维的质量百分比为10-30％，余量为溶剂；将占竹纤维质量2-10％的表面处理后的高导热粉体加入混合液中，边搅拌边升温至70-80℃，反应30-40min后过滤烘干，制得改性竹纤维；
所述高导热剂由10-30wt％的改性碳纳米管和70-90wt％的高导热粉组成，高导热粉选自纳米氮化硼、纳米氮化铝、纳米氮化硅中的一种或几种；
所述改性碳纳米管的制备方法步骤如下：
(1)将碳纳米管、质量浓度30-50％的二甲基甲酰胺溶液及酸溶液按照1g∶10-20mL∶8-
12mL的料液比混合，控制温度35-45℃下搅拌混合30-50min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，80-100℃下真空干燥30-60min得初级改性碳纳米管；所述酸溶液为质量浓度10-20％的硝酸与质量浓度5-10％的磷酸按照1∶1的体积比的混合物；
(2)将初级改性碳纳米管与质量浓度50-60％的高氯酸按照1g∶20-30mL的料液比混合均匀，加热至60-70℃保持24小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，其特征在于：所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，其特征在于：所述偶联剂选自硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、硅烷偶联剂KH570中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，其特征在于：所述介电材料选自钛酸锶钡、钛酸镁、钛酸钙、云母中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，其特征在于：所述交联剂为过氧化二异丙苯或过氧化苯甲酰。
6.根据权利要求1所述的一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，其特征在于：所述润滑剂选自硅油、硅酮母粒、硬脂酸钙、季戊四醇硬脂酸酯中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，其特征在于：所述抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1098、抗氧剂168、2，6-二叔丁基对甲酚中的一种或几种。

一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构\n技术领域\n[0001] 本发明涉及散热材料技术领域，特别涉及一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构。\n背景技术\n[0002] 热塑性塑料是一类应用最广的塑料，以热塑性树脂主要成分，并添加各种助剂而配制成塑料。在一定的温度条件下，塑料能软化或熔融成任意形状，冷却后形状不变；这种状态可多次反复而始终具有可塑性，且这种反复只是一种物理变化，热塑性塑料的种类主要有通用塑料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，以及工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺、聚酯、聚苯硫醚等。但这类产品都是以不可再生资源石油为原料，生产过程能耗大，对环境影响较为严重。同时，生产成本较高，在土壤环境中也不易分解，易造成“白色污染”。因此，研究该类产品的替代物已十分迫切。\n[0003] 高分子材料电绝缘性能优异，但导热系数非常低，一般为0.2W/m.K，是金属材料的百分之一到千分之一，对于一些既要有高导热、同时又有绝缘性要求的应用场合目前比较常规的方法是在高分子基材料中添加具有高导热系数和高阻抗的无机填料。但采用这种方法制备的材料，由于导热填料的大量添加使复合材料的力学性能受到了严重的损害，同时导热性能的提高也不显著，一般很难高于2W/m.K。对于LED散热器、电器散热器等需要利用散热器面积快速传热的情况，如果材料的导热系数小，则其在长度方向上的热传导就非常困难，热量都集中在很小的区域中无法扩散，导致散热器的有效面积没有充分利用，影响了散热效率。\n[0004] 我国竹资源十分丰富，生产竹塑复合产品，一方面可部分替代塑料产品，提高产品的低碳、环保性能，另一方面又可降低成本，促进我国竹资源的高效利用，带动竹区经济。但竹原料与塑料的复合依然面临着很多的技术难题要解决，如竹材是强极性的，亲水性强，而塑料是非极性的、疏水性强，导致竹材料和塑料间的相容性差，界面结合性能较差。常规的方法往往采用磨细的竹粉为原料，竹原料在磨碎后，竹纤维结构破坏，竹材原料的良好性能得不到充分体现。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，具有高导热性、力学性能优异、高电绝缘性、生产成本低，材料更环保易于降解等优点，可应用于LED散热器和电器散热器等产品。\n[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：\n[0007] 一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，包括蜂窝状散热本体，蜂窝状散热本体的蜂窝孔为上下方向竖直设置，所述热塑性导热电绝缘复合材料按重量份计由以下组分混合制成：热塑性树脂50-70份，改性竹纤维15-25份，高导热剂8-15份，介电材料3-\n10份，偶联剂0.5-1份，交联剂0.4-0.6份，润滑剂0.5-1.5份，抗氧剂0.3-0.8份。\n[0008] 蜂窝状散热本体，且蜂窝孔为上下方向竖直设置，为热气流提供了顺畅上升通道，对散热效果有极大的提升。\n[0009] 本发明首次采用改性竹纤维作为增强材料和导热通道用于导热电绝缘复合材料中，替代了原有无机填料，竹纤维的加入不会像无机填料那样破坏导热电绝复合材料的力学性能，本发明的竹纤维具有良好的强度、透气性、耐磨性等特性，竹纤维经改性后用于导热电绝复合材料中还能增强材料的强度和导热性能，同时竹纤维环保性能较佳易降解，且生产成本低。为了解决竹材与热塑性树脂结合问题，充分发挥竹纤维的增强导热效用，本发明以通过特定方法生产的纤维素含量较高的竹纤维为原料，通过表面改性(导热添加剂、偶联剂的使用)及各种添加剂(交联剂、润滑剂等)的联合应用，使竹纤维与热塑性树脂通过表面分子相互渗透和缠绕作用，形成竹塑复合材料。该材料具有强度高、导热性能优异、环保性能较佳、生产成本低等特点。\n[0010] 作为优选，所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺中的一种或几种。\n[0011] 作为优选，所述的改性竹纤维通过以下工艺制备而得：\n[0012] (1)将竹颗粒放入质量浓度为10-15％的氢氧化钠溶液中加热至100-150℃蒸煮1-\n2h，再将蒸煮过的竹颗粒沥干，放置到蒸汽爆破机中，蒸汽爆破机中导入的水蒸气温度控制在140-160℃，压力控制在0.4MPa-0.6MPa，处理时间为20-30分钟；\n[0013] (2)打开蒸汽爆破机的放料阀，使蒸汽爆破机中物料爆破喷出，获得竹纤维；\n[0014] (3)将竹纤维在70-90℃下烘干；\n[0015] (4)将步骤(3)制备得到的竹纤维在-10℃～-5℃下与溶剂混合均匀获得混合液，所述混合液中竹纤维的质量百分比为10-30％，余量为溶剂；将占竹纤维质量2-10％的表面处理后的高导热粉体加入混合液中，边搅拌边升温至70-80℃，反应30-40min后过滤烘干，制得改性竹纤维。\n[0016] 步骤(4)中所述溶剂各组分的质量配比为：氢氧化钠8％，尿素12％，余量为水。高导热粉选自纳米氮化硼、纳米氮化铝、纳米氮化硅中的一种或几种。高导热粉体表面处理的过程为：将质量浓度为30-50％的硅烷偶联剂无水乙醇溶液与高导热粉体在50-70℃下混合\n20-40min，然后加热至80-100℃蒸发去除乙醇，硅烷偶联剂的用量为高导热粉体重量的1-\n1.5％。通过高导热粉体表面处理使竹纤维与高导热粉体更容易结合。\n[0017] 本发明采用上述特定的方法生产获得了改性竹纤维，该改性竹纤维具有良好的强度、透气性、导热性等特性，同时配合偶联剂的使用，有效解决了竹材与热塑性树脂不易结合问题。生产过程简易、环保，成本低。\n[0018] 通过爆破后，可得到纤维的含量提高，更加疏松，部分木质素溶解在水中，氢氧化钠蒸煮的目的能促使木质素和纤维素分离。\n[0019] 作为优选，所述无机填料选自碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、滑石粉、硫酸钡晶须中的一种或几种。\n[0020] 作为优选，所述高导热剂由10-30wt％的改性碳纳米管和70-90wt％的高导热粉组成，高导热粉选自纳米氮化硼、纳米氮化铝、纳米氮化硅中的一种或几种。\n[0021] 本发明针对常规导热材料散热效果的不足进行改进，高导热剂由10-30wt％的改性碳纳米管和70-90wt％的高导热粉组成，碳纳米管本身具有较好得散热性能，能提高材料的导热性能，碳纳米管的使用在提高导热效果的同时还能增强产品的强度，高导热粉具有优异的导热性能，改性碳纳米管在热塑性树脂基体中连成网状，形成骨架，为高导热粉提供分散基体，高导热粉附着在碳纳米管壁上，形成高效散热网，从而提高产品的导热性能。改性碳纳米管的量需要严格控制，多了容易影响绝缘性。此外，改性竹纤维分散在基体树脂中作为导热通道，进一步提高了复合材料的导热性能。\n[0022] 作为优选，所述改性碳纳米管的制备方法步骤如下：\n[0023] (1)将碳纳米管、质量浓度30-50％的二甲基甲酰胺溶液及酸溶液按照1g：10-\n20mL：8-12mL的料液比混合，控制温度35-45℃下搅拌混合30-50min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，80-100℃下真空干燥30-60min得初级改性碳纳米管；所述酸溶液为质量浓度10-\n20％的硝酸与质量浓度5-10％的磷酸按照1:1的体积比的混合物；\n[0024] (2)将初级改性碳纳米管与质量浓度50-60％的高氯酸按照1g：20-30mL的料液比混合均匀，加热至60-70℃保持24小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性碳纳米管。\n[0025] 步骤(1)将碳纳米管与质量浓度30-50％的二甲基甲酰胺溶液及酸溶液混合，同时辅以搅拌，以扩大碳纳米管与液体的接触面，使得碳纳米管分散均匀，这样利于后续的酸溶液氧化改性。酸溶液能够使得碳纳米管亲水性降低，亲油性增加，从而提高碳纳米管与热塑性树脂的结合力。\n[0026] 步骤(2)将碳纳米管在高氯酸中水热反应，高氯酸分子能够插层、溶胀碳纳米管束，使碳纳米管彼此分开并将其表面高反应活性的碳质副产物暴露出来，从而实现选择性功能化碳质副产物。与表面活性剂类似，这些功能化的碳质副产物具有两亲性，可改善碳纳米管与热塑性树脂的相互作用，协助碳纳米管分散，从而提高碳纳米管与热塑性树脂的结合力。\n[0027] 作为优选，所述介电材料选自钛酸锶钡、钛酸镁、钛酸钙、云母中的一种或几种。\n[0028] 作为优选，所述交联剂为过氧化二异丙苯或过氧化苯甲酰。\n[0029] 作为优选，所述润滑剂选自硅油、硅酮母粒、硬脂酸钙、季戊四醇硬脂酸酯中的一种或几种。\n[0030] 作为优选，所述抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1098、抗氧剂168、2,6-二叔丁基对甲酚中的一种或几种。\n[0031] 本发明的有益效果是：具有高导热性、力学性能优异、高电绝缘性、生产成本低，材料更环保易于降解等优点，可应用于LED散热器和电器散热器等产品。\n具体实施方式\n[0032] 下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。\n[0033] 本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。\n下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。\n[0034] 实施例1：\n[0035] 一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，包括蜂窝状散热本体，蜂窝状散热本体的蜂窝孔为上下方向竖直设置(具体结构图可参见CN 204176465 U的记载)，所述热塑性导热电绝缘复合材料按重量份计由以下组分混合制成：热塑性树脂(聚乙烯50份+聚乙烯20份)70份，改性竹纤维15份，高导热剂8份，介电材料(钛酸锶钡5份+钛酸钙5份)10份，偶联剂(硅烷偶联剂KH550)0.5份，交联剂(过氧化二异丙苯)0.4份，润滑剂(硅油)0.5份，抗氧剂(抗氧剂168)0.3份。\n[0036] 所述的竹纤维通过以下工艺制备而得：\n[0037] (1)将竹颗粒(竹颗粒通过将毛竹粉碎成长度小于0.7cm，直径小于0.3mm的颗粒)放入质量浓度为10％的氢氧化钠溶液中加热至100℃蒸煮2h，再将蒸煮过的竹颗粒沥干，放置到蒸汽爆破机(市售)中，蒸汽爆破机中导入的水蒸气温度控制在140℃，压力控制在\n0.4MPaa，处理时间为30分钟；\n[0038] (2)打开蒸汽爆破机的放料阀，使蒸汽爆破机中物料爆破喷出，获得竹纤维；\n[0039] (3)将竹纤维在70℃下烘干至水分含量在5％以下。\n[0040] (4)将步骤(3)制备得到的竹纤维在-10℃下与溶剂混合均匀获得混合液，溶剂各组分的质量配比为：氢氧化钠8％，尿素12％，水80％。所述混合液中竹纤维的质量百分比为\n10％，余量为溶剂。将占竹纤维质量2％的表面处理后的高导热粉体(纳米氮化硼)加入混合液中，边搅拌边升温至70℃，反应40min后过滤烘干，制得改性竹纤维。\n[0041] 高导热粉体表面处理的过程为：将质量浓度为30％的硅烷偶联剂(硅烷偶联剂KH550)无水乙醇溶液与高导热粉体在50℃下混合40min，然后加热至80℃蒸发去除乙醇，硅烷偶联剂的用量为高导热粉体重量的1％。\n[0042] 所述高导热剂由30wt％的改性碳纳米管和70wt％的纳米氮化硼(市售)组成。\n[0043] 所述改性碳纳米管的制备方法步骤如下：\n[0044] (1)将碳纳米管、质量浓度30％的二甲基甲酰胺溶液及酸溶液按照1g：20mL：8mL的料液比混合，控制温度35℃下搅拌混合50min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，80℃下真空干燥60min得初级改性碳纳米管；所述酸溶液为质量浓度10％的硝酸与质量浓度10％的磷酸按照1:1的体积比的混合物；\n[0045] (2)将初级改性碳纳米管与质量浓度50％的高氯酸按照1g：30mL的料液比混合均匀，加热至60℃保持24小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性碳纳米管。\n[0046] 实施例2：\n[0047] 一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，包括蜂窝状散热本体，蜂窝状散热本体的蜂窝孔为上下方向竖直设置，所述热塑性导热电绝缘复合材料按重量份计由以下组分混合制成：热塑性树脂(聚苯乙烯)50份，改性竹纤维25份，高导热剂15份，介电材料(钛酸镁)3份，偶联剂(硅烷偶联剂KH570)1份，交联剂(过氧化苯甲酰)0.6份，润滑剂(硅油1份+硬脂酸钙0.5份)1.5份，抗氧剂(0.4份抗氧剂1010、+0.4份2,6-二叔丁基对甲酚)0.8份。\n[0048] 所述的竹纤维通过以下工艺制备而得：\n[0049] (1)将竹颗粒(竹颗粒通过将毛竹粉碎成长度小于0.7cm，直径小于0.3mm的颗粒)放入质量浓度为15％的氢氧化钠溶液中加热至150℃蒸煮1h，再将蒸煮过的竹颗粒沥干，放置到蒸汽爆破机(市售)中，蒸汽爆破机中导入的水蒸气温度控制在160℃，压力控制在\n0.6MPa，处理时间为20分钟；\n[0050] (2)打开蒸汽爆破机的放料阀，使蒸汽爆破机中物料爆破喷出，获得竹纤维；\n[0051] (3)将竹纤维在90℃下烘干至水分含量在5％以下。\n[0052] (4)将步骤(3)制备得到的竹纤维在-5℃下与溶剂混合均匀获得混合液，溶剂各组分的质量配比为：氢氧化钠8％，尿素12％，水80％。所述混合液中竹纤维的质量百分比为\n30％，余量为溶剂。将占竹纤维质量10％的表面处理后的高导热粉体(纳米氮化硼与纳米氮化铝按照1:1的质量比混合而成)加入混合液中，边搅拌边升温至80℃，反应30min后过滤烘干，制得改性竹纤维。\n[0053] 高导热粉体表面处理的过程为：将质量浓度为50％的硅烷偶联剂(硅烷偶联剂KH570)无水乙醇溶液与高导热粉体在70℃下混合20min，然后加热至100℃蒸发去除乙醇，硅烷偶联剂的用量为高导热粉体重量的1.5％。所述高导热剂由10wt％的改性碳纳米管和\n90wt％的高导热粉组成，高导热粉由纳米氮化硼与纳米氮化铝按照1:1的质量比混合而成。\n[0054] 所述改性碳纳米管的制备方法步骤如下：\n[0055] (1)将碳纳米管、质量浓度50％的二甲基甲酰胺溶液及酸溶液按照1g：10mL：12mL的料液比混合，控制温度45℃下搅拌混合30min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，100℃下真空干燥30min得初级改性碳纳米管；所述酸溶液为质量浓度20％的硝酸与质量浓度5％的磷酸按照1:1的体积比的混合物；\n[0056] (2)将初级改性碳纳米管与质量浓度60％的高氯酸按照1g：20mL的料液比混合均匀，加热至70℃保持24小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性碳纳米管。\n[0057] 实施例3：\n[0058] 一种蜂窝状热塑性导热电绝缘复合材料散热结构，包括蜂窝状散热本体，蜂窝状散热本体的蜂窝孔为上下方向竖直设置，所述热塑性导热电绝缘复合材料按重量份计由以下组分混合制成：热塑性树脂(聚酰胺，市售)60份，改性竹纤维20份，高导热剂10份，介电材料(钛酸锶钡)10份，偶联剂(硅烷偶联剂KH560)0.8份，交联剂(过氧化二异丙苯)0.5份，润滑剂(硬脂酸钙)1份，抗氧剂(抗氧剂1010)0.5份。\n[0059] 所述的竹纤维通过以下工艺制备而得：\n[0060] (1)将竹颗粒(竹颗粒通过将毛竹粉碎成长度小于0.7cm，直径小于0.3mm的颗粒)放入质量浓度为12％的氢氧化钠溶液中加热至120℃蒸煮1.5h，再将蒸煮过的竹颗粒沥干，放置到蒸汽爆破机(市售)中，蒸汽爆破机中导入的水蒸气温度控制在150℃，压力控制在\n0.5MPa，处理时间为25分钟；\n[0061] (2)打开蒸汽爆破机的放料阀，使蒸汽爆破机中物料爆破喷出，获得竹纤维；\n[0062] (3)将竹纤维在80℃下烘干至水分含量在5％以下。\n[0063] (4)将步骤(3)制备得到的竹纤维在-10℃下与溶剂混合均匀获得混合液，溶剂各组分的质量配比为：氢氧化钠8％，尿素12％，水80％。所述混合液中竹纤维的质量百分比为\n20％，余量为溶剂。将占竹纤维质量5％的表面处理后的高导热粉体(纳米氮化硅)加入混合液中，边搅拌边升温至75℃，反应35min后过滤烘干，制得改性竹纤维。\n[0064] 高导热粉体表面处理的过程为：将质量浓度为40％的硅烷偶联剂(硅烷偶联剂KH560)无水乙醇溶液与高导热粉体在60℃下混合30min，然后加热至90℃蒸发去除乙醇，硅烷偶联剂的用量为高导热粉体重量的1.2％。所述高导热剂由25wt％的改性碳纳米管和\n75wt％的纳米氮化硅(市售)组成。\n[0065] 所述改性碳纳米管的制备方法步骤如下：\n[0066] (1)将碳纳米管、质量浓度40％的二甲基甲酰胺溶液及酸溶液按照1g：15mL：10mL的料液比混合，控制温度40℃下搅拌混合40min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，90℃下真空干燥50min得初级改性碳纳米管；所述酸溶液为质量浓度15％的硝酸与质量浓度8％的磷酸按照1:1的体积比的混合物；\n[0067] (2)将初级改性碳纳米管与质量浓度55％的高氯酸按照1g：25mL的料液比混合均匀，加热至65℃保持24小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性碳纳米管。\n[0068] 本发明热塑性导热电绝缘复合材料的性能如下：\n[0069] 表导热电绝缘复合材料性能\n[0070]\n项目 检验标准 实施例1 实施例2 实施例3\n拉伸强度/MPa ASTM D638 35 60 80\n断裂伸长率/％ ASTM D638 110 15 5\n弯曲强度/MPa ASTM D790 45 110 90\n弯曲模量/MPa ASTM D790 2200 3500 6100\n导热系数/W/m.K ASTM E 1530 1.8 2.8 2.2\n[0071]\n介电强度V ASTM D 194 >6000V >6000V >6000V\n[0072] 以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。