導(dǎo)熱塑料的選材

1、導(dǎo)熱塑料配方設(shè)計分享到：0深圳市高分子行業(yè)互囹發(fā)布時間:2013/10/2920:56:55大中小來源:作者：王文廣教授級高級工程師協(xié)會秘書長；大多數(shù)金屬材料的導(dǎo)熱性較好，可用于散熱器、熱交換材料、余熱回收、剎車片及印刷線路板等場合。但金屬材料的耐腐蝕性、成型加工性不好，限制了一些領(lǐng)域的應(yīng)用，具體如化工生產(chǎn)和廢水處理中的熱交換器、導(dǎo)熱管、太陽能熱水器及蓄電池冷卻器等。導(dǎo)熱塑料概述導(dǎo)熱塑料是指具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的一類高分子材料，一般其導(dǎo)熱系數(shù)大于1W/m.K。大多數(shù)金屬材料的導(dǎo)熱性較好，可用于散熱器、熱交換材料、余熱回收、剎車片及印刷線路板等場合。但金屬材料的耐腐蝕性、成型加工性不好，限制了一些領(lǐng)

2、域的應(yīng)用，具體如化工生產(chǎn)和廢水處理中的熱交換器、導(dǎo)熱管、太陽能熱水器及蓄電池冷卻器等。塑料的耐腐蝕性和加工性能都很好，但與金屬材料相比，塑料材料的導(dǎo)熱性能不好，導(dǎo)熱性最好的HDPE導(dǎo)熱系數(shù)也僅有0.44W/m。各類塑料的導(dǎo)熱系數(shù)可具體參見表1所示。塑料的低導(dǎo)熱性，限制了其應(yīng)用范圍，如不可用于各類摩擦起熱或需要及時散熱的場合。表1常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)點牛熱炎材料Iits黑針雒根第1孰就(W/ulK)23001000-1300H304173go高導(dǎo)熱類材料1金鋁鋅鎂1導(dǎo)熱系費卿眄)3151901W235112)03巾導(dǎo)熱類材料鐵輯錫碳酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)(WMK)100-1509067£65申導(dǎo)熱

3、類材料妣鈕*化0黑脆顰化鋁二二懿系數(shù)(WfaX)1501201004Q30低導(dǎo)熱類材料HDPEILDPE|PA6PUF4導(dǎo)熱系數(shù)(WtaJL)0.440350.310310.27悵PPPOM學(xué)熱系數(shù)CV'mK)0250.24值230J9047低導(dǎo)熱類材料HPVC|SPVCF3PET|導(dǎo)熱系數(shù)(W/mJC)0J60.160,150J40.14用仁：熱類材料楙酬|軟木姒端球蠟膨胞貂導(dǎo)熱系數(shù)(WAaK)0.03-0.050.04-0.050.1-020.065-0.0740.()40-0.120導(dǎo)熱類塑料可用于中央空調(diào)系統(tǒng)、太陽能熱水器、建筑供熱管道、化工腐蝕介質(zhì)的傳熱材料、土壤加熱器、商業(yè)

4、儀器、自動化設(shè)備、齒輪、軸承、墊片、移動電話、電子器件、發(fā)電機(jī)罩及燈罩等場合。導(dǎo)熱塑料主要用于換熱工程中如散熱器、換熱管等，電子元器件的散熱如線路板、LED封裝材料等。導(dǎo)熱塑料配方設(shè)計導(dǎo)熱材料的種類按照導(dǎo)熱材料是否具有導(dǎo)電性能，將導(dǎo)熱材料分為導(dǎo)電導(dǎo)熱材料和絕緣導(dǎo)熱材料兩大類。導(dǎo)電導(dǎo)熱材料凡是能夠?qū)щ姷牟牧隙季哂袑?dǎo)熱性能，只是導(dǎo)熱程度大小的不同，目前常用的導(dǎo)電導(dǎo)熱材料有：A炭素材料炭素材料包括碳纖維、石墨、石墨烯、炭黑、碳納米管，導(dǎo)熱效果很好，是目前主要的導(dǎo)熱材料，其中以碳纖維、石墨和炭黑應(yīng)用最多，缺點為黑色。石墨的種類很多，一般多選用導(dǎo)電和導(dǎo)熱都高的石墨品種，具體如磷片石墨、可膨脹石墨、膨脹石

5、墨等。一般的石墨易發(fā)飄，加工時不好進(jìn)料。表2不同石墨粒徑對HDPE復(fù)合材料性能的影響6品的胞能我伸強(qiáng)度（VPZ斷伸長串（）導(dǎo)熱系敵iWmKi而DPE2L90464.580.4428蒯目石卻3份24.0464.91L09I1DOOM石瞿33份24.18241.6L0441300目石攝33份24J5303.80.9306200（日石墨33吩24.9S559.50.91OS,000目石出3粉249059*20.9103觸目1340/3000目用里等比蟀3份23,24434.30.95S5石墨的導(dǎo)熱性雖然不是很高，一般為110-130W/m.K,但具有成本低、在塑料中易于分散、對塑料性能影響小等優(yōu)點，

6、因此比較常用。尤其是近來開發(fā)出許多高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱石墨，例如導(dǎo)熱石墨的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到550W/m.K、單晶石墨的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到2200W/m.K、摻雜石墨（復(fù)合摻雜2.5%硅和15%鈦）的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到330W/m.K。石墨的粒徑越大，導(dǎo)熱系數(shù)越高，當(dāng)粒度細(xì)到2000目左右后，導(dǎo)熱系數(shù)不再減少。經(jīng)驗證明，采用不同粒徑的石墨混合使用，即可保證導(dǎo)熱性，又可保證復(fù)合材料的性能。石墨需要用鈦酸酯偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，硅烷類偶聯(lián)劑無效。鈦酸酯最好用NDZ-201,并用白油等比例進(jìn)行稀釋處理。表3不同石墨含量對PE導(dǎo)熱復(fù)合材料性能的影響導(dǎo)熱系SUW/mE)HDPENTF0.S877HDPI雙價硒0.9251H

7、DPE硒石墨L198ILLDPE5&6恰石平1.44C為了增加相容性，最好加入相容劑，如馬來酸酊接枝PE、馬來酸酊接枝PP、馬來酸酊接枝EPDM等，加入了5%-10%。B金屬材料金屬導(dǎo)熱材料如不發(fā)生氧化，導(dǎo)熱效果很好，但在現(xiàn)實環(huán)境中氧化難以避免，大大降低了其導(dǎo)熱性能。金屬導(dǎo)熱材料的品種以銀、銅、鋁、錫、饃、鐵等為主，形狀為纖維狀和粉狀，從價格上考慮選用銅和鋁為佳。C有機(jī)填充導(dǎo)熱材料常用的導(dǎo)熱聚合物有聚乙烘、聚苯胺及聚曝吩等導(dǎo)電性能優(yōu)異的聚合物，其優(yōu)點為綜合性能好、相對密度低，缺點為價格高，目前階段實際應(yīng)用較少。表4不同石墨含量HDPE的導(dǎo)熱性能翩罐0度|。10203050導(dǎo)熱系數(shù)IWA

8、n.K)0.4401L1L7L823D半導(dǎo)體材料一主要品種為硅、硼等。絕緣導(dǎo)熱材料絕緣導(dǎo)熱材料主要以金屬化物為主，又稱為陶瓷粉，具體品種包括金屬氧化物、氮化物和碳化物三個類別，以金屬氮化物最為常用。絕緣導(dǎo)熱材料為白色或淺色，但價格很高。A金屬氮化物和炭化物主要為氮化鋁、氮化硼、氮化硅、炭化硅、炭化皺等。氮化鋁為最常用的導(dǎo)熱金屬氮化物，相對密度為3.235o屬于一種陶瓷絕緣體，分為多晶體和單晶體兩大類。多晶體物料導(dǎo)熱系數(shù)為70-210W/m.K,是三氧化二鋁的5倍；而單晶體導(dǎo)熱系數(shù)更可高達(dá)320W/m.K,與氧化鉞不同的是氮化鋁無毒。氮化鋁的線膨脹系數(shù)為4.5X10-6/C,與Si的線膨脹系數(shù)(

9、3.54X10-6/C)和GaAs的線膨脹系數(shù)(6X10-6/C)匹配。氮化鋁表面用硅烷進(jìn)行處理，導(dǎo)熱效果可以進(jìn)一步提高。氮化硼英文名稱boronnitride,外觀為片狀六方結(jié)晶白色粉末，相對密度2.27,導(dǎo)熱系數(shù)120W/m.K,導(dǎo)熱性能好于炭化硅。氮化硼有兩種晶型，六方BN較軟，稱白色石墨"，立方BN硬度高，與金剛石相當(dāng)。氮化硅的外觀為白色粉狀晶體，有雜質(zhì)或過量硅時呈灰色，熔點1900C,相對密度3.44o結(jié)晶結(jié)構(gòu)有兩種變體：a型為六方密堆積結(jié)構(gòu)，0型為似晶石結(jié)構(gòu)。氮化硅的使用溫度高達(dá)1900c，在1000C以上開始氧化，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到110W/m.K。表5幾種聚烯煌的導(dǎo)熱系數(shù)聚

10、烯便HDPEPERTLDPEPPPBJ50與熱系數(shù)（V/m.K）0.44240.42603270250.242.3碳化硅為最常用的導(dǎo)熱金屬炭化物，導(dǎo)熱系數(shù)為100W/m.K,導(dǎo)熱性和導(dǎo)電絕緣性都很好，非常適合于電子導(dǎo)熱封裝材料。B金屬氧化物主要為三氧化二鋁、氧化鎂、氧化鋅及氧化皺等。其中，納米氧化鋁為白色粉末，導(dǎo)熱系數(shù)30W/m.K，隨溫度升高有所下降；三氧化二鋁摻雜氧化鋅（AZO）的導(dǎo)熱系數(shù)為30W/m.K。塑料導(dǎo)熱配方設(shè)計要點導(dǎo)熱基材的選擇A從樹脂本身導(dǎo)熱性上考慮從樹脂導(dǎo)熱性上考慮，應(yīng)該選擇本身導(dǎo)熱性高的樹脂。對于北方供暖用散熱塑料，常選用聚烯燒類樹脂，其導(dǎo)熱性見表5所示，綜合各類性能，目

11、前選用PERT樹脂。B從樹脂結(jié)晶性能上考慮最好選用高結(jié)晶度的樹脂，結(jié)晶樹脂導(dǎo)熱材料的添加量相對非結(jié)晶樹脂要少，常用的結(jié)晶樹脂有PE、PP、ABS、PA、POM、PPS、LCP、PBT、PET、PEEK、PVDF、PLA等。C從樹脂與導(dǎo)熱材料相容性上考慮最好選擇與導(dǎo)熱材料相容性好的樹脂，以保持較好的樹脂原有性能。首先選用熱固性樹脂，它們填充后性能較好；如果必須選用熱塑性樹脂，推薦選用的樹脂為PPS,它的填充性能較好。D從耐熱性能上考慮選用耐熱性較好的樹脂，常用的為玻璃纖維增強(qiáng)的PP、PPS、PA、PBT、PET幾個品種。導(dǎo)熱材料品種的選擇A按照是否要求絕緣性來選擇，如要求絕緣只能選擇金屬的氮化物

12、、炭化物和氧化物。B按導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性大小來選擇，在價格許可的條件下，盡可能選擇導(dǎo)熱性能好的材料，如金屬銀的導(dǎo)熱性最好。C對同一導(dǎo)熱材料，盡可能選擇新開發(fā)品種，如新型炭黑、石墨烯、碳納米管（單壁CNT導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到6000W/m.K、多壁MWCNT導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到3000W/m.K）、三維碳纖維（導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1200W/m.K）,比傳統(tǒng)的材料導(dǎo)熱性能大幅度提高。D對于一個配方，盡可能選擇不同品種導(dǎo)熱材料復(fù)合使用效果好。纖維狀和粒狀填料復(fù)合使用導(dǎo)熱效果好，其原因為長徑比高的纖維類材料和粒度低的粉體材料容易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)；如石墨/銀粉復(fù)合，比各自單一同等添加量效果好；例如PP中加入銅纖維和石墨，復(fù)合材料的

13、導(dǎo)熱率可達(dá)8.65W/m.K。導(dǎo)熱材料尺寸的選擇A單從尺寸上看，導(dǎo)熱材料的越細(xì)越好，越容易形成導(dǎo)熱通路，導(dǎo)熱性越好；如納米氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到320W/m.K,而普通的氮化鋁導(dǎo)熱系數(shù)僅為150W/m.K;如果從分散性上看，尺寸越細(xì)分散越困難；因此在配方設(shè)計時，應(yīng)該在保障分散的前提下，導(dǎo)熱材料越細(xì)越好，具體見表6、表7所示。表6不同尺寸碳化硅（30%含量）對HDPE導(dǎo)熱系數(shù)的影響碳化晶尺pm）0.551015導(dǎo)熱系數(shù)1.02L000.97095表7不同尺寸氮化硼（30%含量）對HDPE導(dǎo)熱系數(shù)的影響碳化耶R寸（陛）0.551015導(dǎo)熱系SHW/m.K）1.181J11.08L05B對于同一個配方

14、，選擇不同尺寸的導(dǎo)熱材料復(fù)合添加效果好。 導(dǎo)熱材料形狀的選擇從填料的外觀形狀上看，容易形成導(dǎo)熱通路的次序為晶須纖維狀片狀顆粒狀，因此其導(dǎo)熱性能大小順序相同。 導(dǎo)熱材料的表面處理對于不同的導(dǎo)熱材料，選用合適的偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，導(dǎo)熱系數(shù)可以提高10%-20%o 導(dǎo)熱材料添加量的確定導(dǎo)熱材料的添加量不是越大越好，添加量存在一個臨界值。在臨界值之下，導(dǎo)熱材料形成不了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)熱系數(shù)增加很慢；達(dá)到臨界值時，導(dǎo)熱材料網(wǎng)絡(luò)形成，導(dǎo)熱系數(shù)突然增加；超過臨界值后，導(dǎo)熱系數(shù)增加緩慢；因此，最佳添加量為最大臨界值。最后提一下加工方式對導(dǎo)熱性能的影響，導(dǎo)熱效果為粉末混合溶液混合=雙輻開煉雙螺桿混合。塑料復(fù)合導(dǎo)熱材

15、料配方實例金屬導(dǎo)熱配方A在HDPE樹脂中，當(dāng)加入25%體積份數(shù)的鐵粉時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率可達(dá)到1.4W/m.K。B在環(huán)氧樹脂中加入40%體積份數(shù)的銅粉（粒徑50Vm）時，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率可達(dá)到0.9W/m.K.C在PP和酚醛樹脂中填充18%22%體積份數(shù)的鋁薄片（40/1的長徑比）時，導(dǎo)熱率接近純鋁的80%。D在PP中加入30%粒徑為50Vm的鋁粉，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率為3.58W/m.K，是純PP的14倍;但綜合力學(xué)性能下降，如拉伸強(qiáng)度為24MPa、沖擊強(qiáng)度為7.3kJ/m2。E金屬粉填充導(dǎo)熱塑料配方HDPE60%;Al或Zn粉40%。相關(guān)性能：導(dǎo)熱系數(shù)20.5X10-4Cal/cm.s.C。炭

16、素導(dǎo)熱配方A石墨填充導(dǎo)熱酚醛塑料配方PF30%;石墨70%o相關(guān)性能：熱導(dǎo)率：20W/m.K;彎曲強(qiáng)度：35MPa;壓縮強(qiáng)度：55MPa。B在LDPE樹脂中，加入25%體積份的石墨，進(jìn)行粉末混合，導(dǎo)熱率可達(dá)2W/m.K。C用PP粉，牌號為1300或1330,熔體流動指數(shù)不大于1g/10min，加入75Vm的鱗片石墨30%,復(fù)合材料的導(dǎo)熱率可達(dá)到2.4W/m.K。表8CPVC/石墨復(fù)合材料的導(dǎo)熱率(W/m.K)而星加入網(wǎng)05152025303550導(dǎo)熱原教0.160370.700.98L19L562.04n表9EVA太附能封裝膜靠化鎂的導(dǎo)熱性能用件麟含量(%)01020304050導(dǎo)熱率(W/m

17、.K)0250420.460.S12138體積電用萄QNaN)1X101441X101412X10149X10144X10141X1014交聯(lián)度(%)71.57772686762表10復(fù)合改性HDPE的導(dǎo)熱性能原料加成HDPEHDPE+30%8ft«HDTC您媚就燃第It.用導(dǎo)熱系數(shù)(W.'mK)0.31.0513拉伸強(qiáng)度(MPa)271523相國渡(UW)2313.2瓜5介電常數(shù)2.01033體積電阻索(0N斟)4.4X104.6X10,6.8X10%D在CPVC(導(dǎo)熱率為0.16W/m.K)樹脂中，隨石墨加入量的增加，其導(dǎo)熱率變化如表8所示當(dāng)加入50%石墨時，導(dǎo)熱率可達(dá)3

18、.2W/m.K,提高20倍之多。E在環(huán)氧樹脂中加入56%(體積)的碳纖維，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為695W/m.K,相對密度小于1.5,線膨脹系數(shù)大大下降。絕緣導(dǎo)熱配方A在PVDF中加入60%（體積）的氮化鋁，其中7Vm的顆粒和晶須比例為25/1,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為11.5W/m.K。B在UHMWPE樹脂中加入30.2%AlN纖維，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率可達(dá)到2.44W/m.K。C在環(huán)氧樹脂中，加入30%體積份數(shù)的陶瓷（BaTiO3、Si、SiC、SnO2、TiO2、ZnO）,另加入0.3%摻雜金屬（Al、Cr、Li、Ti）等，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率為2.06W/m.K。D在PPS中加入80%的大顆粒氧化鎂，導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到3.4W/m.K;加入70%的三氧化二鋁,導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到2.392W/m.K。表11HDPE/BN復(fù)合導(dǎo)熱材料