2.2　导热塑料的配方、工艺与性能

2.2.1　PBT基LED灯用导热塑料

近年来由于LED照明领域的快速发展，对导热高分子材料在这方面的需求与日俱增，导热高分子材料可以用于LED中的外壳、插件、基板、散热器等部件，表2-3所示是一些公司生产的导热高分子材料在LED领域方面的工业化应用。

聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）作为一种工程塑料，具有较好的耐磨损性、耐热性以及电绝缘性，并且吸水率低、尺寸稳定，广泛应用在各个领域，其价格比PA46、PPS价格相对要便宜。与氮化硼相比，氧化镁的价格相对较低。在氧化镁添加量为50%时，材料的导热性能相对较高，力学性能下降较少。由于PBT热变形温度低，对缺口敏感，缺口冲击强度低，导致制品韧性低，限制了PBT的应用范围。综合性能与成本考虑，必须进行增韧改性。本配方以PBT为基体，氧化镁为导热填料制备导热复合材料。通过添加EVA或玻璃纤维对复合材料进行增韧和增强处理。

（1）配方（质量份）

PBT　　　　　56

MgO　　　　　40

EVA　　　　　 4

抗氧剂1010　 0.25

抗氧剂168　　0.25

硬脂酸　　　　0.5

（2）加工工艺　原料预处理：PBT树脂遇水易分解，因此在使用前必须对其进行干燥处理，吸水率应低于0.02%。将氧化镁、氮化硼、PBT放入鼓风干燥箱中，在120℃的条件下烘干4h，使其充分干燥。双螺杆挤出机挤出造粒：将特定比例的导热填料与PBT树脂放入高速搅拌机中搅拌10min，待搅拌均匀后，将搅拌好的原料取出。按图2-2所示对双螺杆挤出机进行设置，将搅拌好的原料加入到挤出机中熔融挤出，经过空气冷却，经造粒机造粒，备用。表2-4为双螺杆挤出机各区温度。

（3）参考性能　纯PBT的热导率仅为0.394 W/（m·K）。氧化镁的热导率大约为36W/（m·K）。配方1是将PBT∶MgO比例固定在60∶40，加入玻璃纤维；配方2是将PBT∶MgO∶EVA的比例固定为56∶40∶4，向体系中加入玻璃纤维。表2-5为PBT增强增韧导热复合材料的力学性能及导热性能。由表2-5可以看出，配方2与配方1相比，向氧化镁填充PBT复合材料中加入EVA和玻璃纤维，复合材料的力学性能和热导率均较为良好。配方2中，复合材料的热导率为1.137W/（m·K），弯曲强度高达104.5MPa。

2.2.2　PA6/AlN/CF导热塑料

PA6 作为一种传统的工程塑料在社会生产上得到广泛应用，但 PA6 的低热导率限制了其在导热材料中的应用，提高 PA6 材料的导热性能在工业生产应用中具有重要的意义，氮化铝（AlN）填料是一类原子晶体的氮化物，是一种高热导率的无机填料，热导率可达300W/（m·K），纯度高且电绝缘性能优异，具有力学性能好、光传输性能好、纯度高、介电性能优良等特点，而碳纤维（CF）具有良好的电导率和导热性能，而且还能提高材料的力学性能。目前通过导热填料填充高分子基体是最经济有效的导热高分子材料的制备方法，本配方选择了 PA6/AlN/CF复合体系，利用尺寸差异较大的碳纤维与 AlN 填料进行混合填充制备了PA6/AlN/CF LED灯用导热塑料。

（1）配方（质量份）

PA6　　　　　　　60

氮化铝（AlN）　　25

碳纤维（CF）　　15

KH550　　　　　适量

抗氧剂B225　　　0.5

注：PA6选用日本宇部公司1013B；氮化铝10μm，本配方选取的碳纤维材料是中间相沥青基碳纤维材料，相比聚丙烯腈制备的碳纤维热导率更高，直径为 7μm，热导率150～200W/（m·K）；硅烷偶联剂KH570填充量为1.5%（质量分数）。

（2）加工工艺

① 材料预处理　 偶联剂处理：首先用无水乙醇作为溶剂按照一定比例与硅烷偶联剂（KH550、KH560、KH570）、钛酸酯偶联剂（铝酸酯偶联剂由于是粉末状，不用配制成溶液）配制成偶联剂溶液，将配制好的偶联剂溶液按照填料含量的0.5%～2%（质量分数）的比例用喷雾瓶呈雾状均匀地喷洒在AlN粉末上，将偶联剂处理后的AlN填料放在烘箱里烘干待用。

② 高速混合　将PA6基体在 100℃烘箱内烘干8h后与已经经过偶联剂处理的AlN填料按照不同的配比分别放入高速混合机中，同时一并添加0.4%（质量分数）的抗氧剂，最后不同组分在高混机中混合10min，取出烘干待用。

③ 三螺杆挤出造粒工艺　挤出机料筒各段及模头温度参数设定如表 2-6 所示。

三螺杆挤出机喂料螺杆转速设置为 8r/min，螺杆转速设置为50r/min，采用水冷和风冷后经过切粒机切粒的方式制备PA6/AlN 导热复合材料母料，将制备好的母料放于100℃烘箱内烘干8h待用。

 二步法挤出即将相同配方的各组分进行 2 次挤出，以PA6/AlN/CF复合材料为例，先将原料PA6和AlN熔融挤出切粒制成母料，再将母料与填料CF再次熔融挤出。

（3）参考性能　AlN/CF 混合填料在 PA6/AlN/CF 体系中产生的混配效应和协同效应有助于提高材料的导热以及力学性能。PA6/Al N/CF 导热复合材料的填料总填充量为40%（质量分数）；PA6/AlN/CF 复合材料的热导率随着碳纤维含量的增加而不断上升，见图2-3。当AlN/CF配比为 25/15时，热导率达到 1.395W/（m·K），比同含量单一的 AlN 填充的PA6/AlN体系增长了39%，碳纤维相比AlN填料具有较高的长径比，纤维状的碳纤维在AlN粒子之间起桥梁连接作用，形成了更多的导热通路，且碳纤维本身的热导率很高，这种形状和比例的差异，使得填料和基体之间相互搭接、贯穿和相互联系，这种空间网状的导热通路形成的混配效应和正向协同效应，使得材料的堆积密度比同等含量单一填料填充的密堆积程度要高，建立更完善的导热网链结构。图2-4为CF含量对复合材料力学性能的影响。综合考虑，PA6/AlN/CF配比为60/25/15时，复合材料的综合性能最好。

硅烷偶联剂KH570在填充量为1.5%（质量分数）时对导热性能的改性效果最好。碳纤维填料、AlN填料以及PA6基体之间的极性以及表面的活性差异很大，简单地进行共混熔融制得的复合材料的相容性较差，影响材料内部填料的分布。所以，采用对填料进行偶联剂改性的办法来提高材料各成分之间的相容性。图2-5所示为改性后的复合材料的导热曲线，AlN/CF配比为 25/15。偶联剂改性能够提升 PA6/AlN/CF导热复合材料的热导率，其中KH570的改性效果最好，在填充量为1.5%（质量分数）时，其热导率达到 1.449W/（m·K），较未改性提高了45%，这说明KH570的官能团能够很好地与碳纤维和AlN表面的官能团和活性物质发生反应，有利于纤维和微粒的共同均匀分散，通过增强混合填料与基体之间的相容性和界面结合力，可以促进导热网链的构建。图2-6为偶联剂改性对PA6/AlN/CF复合材料力学性能的影响。

三螺杆挤出二步法即将混合填料分别逐次添加，二次熔融挤出的过程，力学性能如表2-7所示。先添加AlN填料挤出成母粒，再将母粒与碳纤维再次熔融挤出的二步法在力学性能上有所改善；先添加碳纤维的二步法力学性能有所降低是因为将碳纤维进行了二次的熔融挤出，对纤维材料的重复加工造成的破坏不利于发挥碳纤维高模量高强度以及长径比的优势。所以，对纤维材料的加工原则是尽量减少对纤维本身的破坏，增加其在结构中的良好均匀分散和取向，发挥其在力学性能方面的卓越性能，这也是工业生产中碳纤维的添加方式主要以侧喂料为主的原因之一。

2.2.3　石墨/碳纤维/尼龙46复合导热塑料

尼龙46（PA46）的耐热性在五种通用工程塑料中具有明显优势，是一种新型的工程塑料，在汽车零件、部分电子电气产品等方面有广泛应用。熔点高，有十分优异的耐热性能，使其在高温下可长期使用，大大提高它的应用范围。主要应用于对耐热性能有较高要求的领域，如导热塑料、散热器等。与传统的通用工程塑料相比，无论是在用途方面还是市场方面都有较为突出的优势。

（1）配方（质量份）

PA46　　　60

石墨　 　　30

碳纤维　　10

KH570　　适量

注：PA46/TW341荷兰DSM公司；碳纤维粒径D50=100μm；石墨粒径100μm。

（2）加工工艺

① 气相氧化改性　将石墨和碳纤维称量后，分别放入马弗炉中，温度为350℃，保温时间分别为1h，停止加热，石墨随马弗炉冷却至常温。

② 偶联剂改性　分别称取质量分数为1%的硅烷偶联剂。将其与无水乙醇混合（质量比为1∶5）稀释后均匀地喷洒在石墨和碳纤维表面，超声分散0.5h，静置1h，置于真空干燥箱中85℃干燥24h。

③ 共混造粒　采用密炼机和单螺杆挤出机两种混料设备，对材料进行熔融共混。首先用密炼机混料，密炼机的加热片温度为305℃，转速为300r/min，进行破碎，加入单螺杆挤出机，进行挤出造粒，温度从加料口到机头分别为300℃和305℃挤出。

（3）参考性能　随着导热填料的增加，石墨和碳纤维在基体之中起到协同效应，复合材料的导热性能较之于单一改性有所提高。当两种填料石墨/碳纤维（EG/CF）的填充量为30%/10%时，复合材料的热导率达到4.233W/（m·K），约为原始PA46［0.269W/（m·K）］的15.74倍。图2-7为填料的质量分数对复合材料热导率和热扩散系数的影响。表2-8为复合填充对复合材料力学性能的影响。

2.2.4　ABS导热塑料

ABS作为一种广泛使用的工程塑料，因其优良的特性，应用于许多领域，不管是汽车、家电、办公用品，还是仪器仪表、电话，都随处可见ABS制品。ABS制品耐酸碱腐蚀、耐用、防水、质轻、表面光泽度好，在家电、仪器仪表行业，一般作为外壳使用。塑料制品在长期使用过程中，因空气中氧的作用，会发生老化现象，尤其在温度较高时，作用会更明显。所有用电设备都会因为长期工作而产生热量，有时热量聚积散发不出去甚至会导致设备报警，自动停止工作。尤其是一些用到ABS塑料制品外壳的设备，如电视、笔记本电脑等，若将其外壳塑料用ABS导热复合材料制成，则可通过外壳将热量散发到空气中，降低用电设备中的热量积聚，保证设备正常工作，同时也可延长塑料件的使用寿命。本例以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）为基体，氧化银、氧化锌作为填料，制备导热复合材料。

（1）配方（质量份）

ABS　　　　　　50

Al2O3　　　　　　18

ZnO　　　　　　　12

Al　　　　　　　　20

抗氧剂168　　　0.25

抗氧剂1098F　　0.25

注： Al2O3粒径40μm， ZnO粒径2μm，Al粒径20μm ，ABS中国台湾奇美757k。

（2）加工工艺

① 填料的表面处理　钛酸酯偶联剂为黏稠液态，为了使少量钛酸酯均匀地包覆在填料表面，一般加入少量稀释剂。称取一定量的填料加入高速混合机中于80℃条件下升温预热，按粉体质量的1%称取偶联剂于烧杯中，然后按偶联剂∶异丙醇=1∶1称取异丙醇加入烧杯中使偶联剂稀释，然后将稀释后的偶联剂分三次加入高速混合机中处理30min，将处理好的粉体放入烘箱中烘干备用。

② 造粒　称取提前烘干的ABS与处理过的粉体按一定比例混合均匀后加入双螺杆挤出机中挤出、造粒。

（3）参考性能　表2-9是不同偶联剂处理对热导率的影响。从表2-9中可以看出，相比于用硅烷偶联剂处理后的粉体填充得到的复合材料，使用钛酸酯与铝酸酯偶联剂处理的粉体填充得到的ABS复合材料热导率要明显较高，通过不同偶联剂处理粉体的活化度测试发现，用钛酸酯偶联剂102处理后粉体活化度最大，用钛酸酯处理后的粉体填充，得到ABS复合材料热导率数据；同样，填充钛酸酯偶联剂102处理后的粉体得到的材料热导率最大。由此可知，钛酸酯偶联剂对Al2O3表面处理效果明显，且适用于ABS体系。

两种粉体复配使用比单一组分效果更好，但复配后对材料力学性能影响较大，而氧化锌与氧化铝复配，材料热导率较低；同时，氧化铝与氧化锌本身热导率较低，不利于材料导热性能进一步提高。因此，可以在填料中适当加入具有较高热导率的铝粉，将铝粉与氧化铝、氧化锌混合使用，在较大程度上提高材料热导率的同时也可尽量减小力学性能的降低，使材料具有更好的使用性能。在50%填充量下，当（Al2O3/ZnO=6∶4）∶Al=6∶4时得到的复合材料具有较好的综合性能。图2-8为Al2O3/ZnO/Al三组分填充对导热性能的影响。图2-9为Al2O3/ZnO/Al三组分填充对力学性能的影响。

片材在横向上的合适热导率，机械方面的应用为1.3～2.0W/（m·K）。在50%填充量下，当（Al2O3/ZnO=6∶4）∶Al=6∶4时，复合材料热导率可以达到1.0W/（m·K）以上；而此时，其拉伸强度仍有27MPa，冲击强度有3.5kJ/m2，可以达到其使用要求。

2.2.5　PBT/PC导热塑料

将PBT与PC进行共混改性，可克服PBT耐热温度相对较低、耐冲击性低、缺口冲击强度不高的缺点，同时又可弥补PC耐化学药品性、成型加工性和耐磨性的不足。究其原因，属于无定形材料，薄制品韧性好，则属于半结晶材料。由于其含有晶区，则提高其抗化学品腐蚀的能力，两者共混的性能其实质就是取长补短，理论上可以得到综合性能优良的材料。在熔融加工条件下，酯交换反应普遍存在于PBT/PC、PBT/PET等聚酯共混物体系中。对于PBT/PC体系而言，酯交换反应先在PBT与PC相接触的界面层生成PBT与PC的嵌段共聚物，而后随着酯交换反应的深入，共混体系会逐渐趋于无规共聚物。酯交换过程主要包括分子链的端羧基和酯基间的醇解、酸解与酯基间的直接酯交换反应；而其中酯基间的直接酯交换反应在上述三种反应中占据了主导地位。PBT/PC共混体系中的酯交换反应方程如图2-10所示。

虽然酯交换反应对PBT/PC合金能一定程度上起到相容剂的作用，但由于酯交换反应是随机发生的，很容易导致制品的性能不均一，而且每一次热历史都会使产品的性能发生变化（主要是劣化），给产品循环利用带来困难。此外，由于酯交换反应会使分子量下降，因而制品的耐化学药品性和耐热性能也会下降，在其应用方面大打折扣。

因此，为获得综合性能良好的材料，需加入酯交换反应抑制剂对PBT/PC体系中的酯交换反应程度进行控制。常用的酯交换反应抑制剂包括亚磷酸盐、亚磷酸酯、磷酸和芳基磷酸酯等。大量文献报道，亚磷酸三苯酯（TPPi）对PBT/PC体系间的酯交换反应可以起到有效的抑制作用。本配方采用TPPi作为抑制剂对PBT与PC间的酯交换反应进行抑制。

（1）配方（质量分数/%）

PBT　　　　　　　　　　33.5

PC　　　　　　　　　　 33.5

Al2O3　　　　　　　　　　33

亚磷酸三苯酯（TPPi）　　适量

注：亚磷酸三苯酯（TPPi）用量为PBT/PC基体质量分数的1%。

（2）加工工艺　将一定量的PBT在120℃真空条件下烘干6h后，与PC、 Al2O3 在高速混合机中与其他助剂进行预混合，后将上述物料加入双螺杆挤出机中进行塑化，挤出并造粒。双螺杆加工温度为 190～240℃。

（3）参考性能　TPPi 的加入可有效抑制体系中酯交换反应的发生，使 PBT/PC 共混物的相态结构改变，进而对填料的分布状态产生影响。当 PBT/PC 配比为 1/1 时，向其中加入1%（质量分数）的TPPi可使体系的相态结构趋向于形成双连续相态结构，并有效提升材料的热导率；在该体系中加入33%（质量分数）的Al2O3 后，材料的热导率达到0.89W/（m·K），相对于未加入 TPPi 的相同体系提升了13%。

2.2.6　聚甲基丙烯酸甲酯导热塑料

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一种重要的热塑性高分子塑料，具有无毒无味、硬度高、制备方法简单、绝缘性好等特点。氮化硼（BN）是陶瓷材料中热导率最大的材料之一，同时也是陶瓷中最好的高温绝缘材料，具有耐腐蚀性强、电绝缘性能优良、热膨胀系数小、化学性能稳定等优点。氮化硼属于片状六方结构，其结构与石墨相似，因此又被称为“白色石墨”。虽然在其平面上没有可以利用的官能团进行反应和接枝，但是在平面的边缘确实存在少量官能团可以用于反应或接枝。当填料用量增加到某一临界值时，即“逾渗”阈值，填料之间达到真正意义上的接触与相互作用，体系内部形成类似链状或网状的结构形态——导热链（网）时，复合材料热导率才会显著提高。本例采用氮化硼（BN）作为导热填料制备聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）导热塑料。

（1）配方（质量分数/%）

MMA　　　　　　　　　　　　　　80

BN　　　　　　　　　　　　　　　20

PBO　　MMA单体用量的1%（质量分数）

注：PBO没有算在整个配方含量中。

（2）加工工艺

① 氮化硼表面改性　对氮化硼进行表面改性，采用的是硅烷偶联剂法，偶联剂同样选用3-（异丁烯酰氧）丙基三甲基硅烷（γ-MPS）。考虑到 BN 表面含有的可用于接枝反应的基团少，因此，采用两步法对 BN 进行表面改性，先对 BN 进行表面羟基化处理，再进行硅烷偶联剂接枝，表面改性机理如图2-11 所示。

BN表面羟基化处理具体过程为：首先将BN放于90℃、10%（质量分数）的氢氧化钠溶液中60min，然后用去离子水过滤洗涤，最后将羟基化后的BN在80℃干燥箱干燥24h。BN表面羟基化处理后硅烷偶联剂处理的具体方法为：称取填料质量比例的硅烷偶联剂KH-570加入到盛有无水乙醇的烧杯中，配制成质量分数约为10%的偶联剂无水乙醇溶液，用稀盐酸调节pH值4左右，搅拌使其混合均匀，静置1h。同时，称取4g BN分散于120mL甲苯中，超声处理60min。然后分别将BN甲苯溶液和偶联剂乙醇溶液先后加入通冷凝水和氮气的四口烧瓶中，加热至甲苯回流温度保持8h；然后冷却至室温，放置2h，接着离心分离，干燥后用索式提取器（甲苯为溶剂）抽提10h，放入110℃干燥箱8h烘干备用。

② PMMA/BN复合材料制备　称取100g甲基丙烯酸甲酯，占单体用量1%（质量分数）的BPO和BN，混合后超声分散30min。分散均匀后，加入到装有温度计、搅拌桨、N2通气管的500mL的三口烧瓶中，水浴80℃加热，并通入N2；预聚到一定黏度后，冷水浴中冷却反应液至50℃，然后将反应液缓慢灌入已制作好的模具中，真空脱泡处理后在50℃烘箱中硬化24h；继续在100℃条件下熟化1.5h，使反应趋于完全。

（3）参考性能　复合材料的热导率都是通过瞬态热线法测得的。图2-12是PMMA/BN复合材料热导率随填料BN质量分数的变化曲线。从图2-12中可以看出，复合材料的热导率随BN含量的增加呈递增趋势，并且在填充8%（质量分数）时出现了一个明显的转折点，复合材料热导率增幅变快。当填料用量较少时［如添加8%（质量分数）以下时］，热导率增加的趋势不太明显，随着填料用量的增加［如添加8%（质量分数）以上］，复合材料热导率较基体增加明显。出现这种现象的原因可能为，当填料用量少时，BN颗粒在基体PMMA中为零星分布，彼此间被聚合物包裹或接触较少，处于隔离的状态，此时复合材料的热导率主要由PMMA基体提供，因此复合材料热导率在填料用量少时提高不明显；由于BN的热传导主要依靠晶格声子的振动来实现，因此提高复合材料热导率就需要BN在基体中相互接触和作用，形成有效的导热网链。当填充BN含量提高后，BN相互接触，被基体包裹的程度明显降低，并形成连续的导热通路，因此复合材料热导率提升显著，尤其当BN填充20%（质量分数）时，复合材料热导率达到0.67W/（m·K），是基体［纯PMMA，0.19W/（m·K）］的3.5倍。

2.2.7　PEEK导热复合材料

PEEK是一种同时具有韧性和刚性的高分子材料。材料宏观性能上则体现为耐疲劳性以及强的断裂韧性、耐摩擦性能、耐化学腐蚀等。此外，具有较高的熔点（334℃）和玻璃化转变温度（143℃），具有耐高温、可阻燃等特点，其可以在250℃的温度下长期使用。PEEK作为一种新型的特种工程塑料，在众多领域得到了快速的推广应用。如PEEK或者PEEK基复合材料应用于生产航空航天领域中苛性条件下使用的飞机部件，汽车制造中的汽车轴承、离合器和车身材料，电子电气领域内的印刷板、密封件以及医疗领域中替代金属制造而成的人体骨骼等。此外，近年来研究发现，磺化后表现出优异的质子交换能力，将其用于制备燃料电池质子交换膜成为当前材料新的研究热点和研究方向。然而，PEEK由于自身结构的特点，与大多数高分子材料一样，导热性能非常低，常温下的热导率只有0.25W/（m·K）。这限制了在要求材料具有一定导热性场所的应用，因此有必要寻找合适的方法提高其导热能力，扩大其应用范围。PEEK的熔点为334℃，如果使用熔融混合方式则通常要求仪器加工温度达到400℃，此外，双辊混炼和粉末混合也分别需要高温密炼机和高速球磨设备，因而需要改用其他混合方式；其次，膨胀石墨EG是一种蠕虫结构，其内部片层之间相互黏结，石墨与石墨之间又容易团聚。如果直接将其填充至树脂基体中势必会自聚而难以形成导热网链，且会在材料内部形成应力集中进而降低材料的力学性能，因而有必要对EG进行分散处理使其粉碎和剥离成更小的石墨片层，将EG分散于某一溶液中超声处理便是一种行之有效的方式。事实上，PEEK基复合体系悬浮分散法被证明是一种简单实用的复合方式。本例用乙醇为溶剂先将EG分散于其中进行超声处理，然后添加PEEK粉末制得EG/PEEK悬浮分散体系，在EG均匀地分散于PEEK中的基础上制备出较高导热性能的复合材料。

（1）配方（质量分数/%）

PEEK　　　　　90

膨胀石墨EG　　10

（2）加工工艺

① 膨胀石墨的超声处理　称取一定量膨胀石墨放入200mL乙醇水溶液中［70%（体积分数）］，首先在1000r/min搅拌速度条件下乳化剂中对其高速剪切搅拌30min，随后该溶液在含有内置探头的超声波细胞粉碎仪中超声1h，粉碎仪频率固定为19kHz，仪器总功率为650W，其超声时间和超声功率均连续可调。

② 膨胀石墨和聚醚醚酮的悬浮共混　在添加聚醚醚酮粉末之前需对其进行干燥处理，以除去其中的水分和其他杂质，处理温度为120℃，处理时间为24h，环境条件为真空。将超声处理后的膨胀石墨溶液体系，在乳化剂的搅拌作用下缓慢加入一定量的聚醚醚酮粉末。该体系为EG/PEEK悬浮分散体系，搅拌时间为30min，两者均匀混合后将悬浮液置于布氏漏斗中快速真空抽滤，在烘箱中100℃干燥12h。

③ 膨胀石墨聚醚醚酮复合材料的成型　采用模压成型工艺，整个成型过程中需考虑模压温度、模压压力、预热时间和模压时间等工艺参数。主要过程如下：将研钵充分研磨后的粉末样品置于模压模具中压实以排出空气，在此之前模腔预涂硅油作为脱膜剂，待模压温度升至设定值后将模具置于中模与下模之间，预热数分钟后粉末

样品转变为熔融态，此时在一定模压压力和时间下模压成型，模压后模具置于室温条件中自然冷却，最后脱模制得模压样品圆片。

具体模压成型工艺参数如下：

模压温度：上模355℃；中模360℃；下模365℃

模压压力：1.5MPa

预热时间：30min

模压时间：30s

（3）参考性能　图2-13、图2-14分别是以EG和鳞片石墨为填料填充基体时PEEK复合材料导热性能随其含量的变化以及相应提高幅度的示意图。以EG或者以鳞片石墨为填料均可以有效提高材料的导热性能，而且前者的提高效果更佳。当填充量为5%（质量分数）时，材料的提高幅度即超过100%；当填充量为40%（质量分数）时，复合材料的热导率为5.32W/（m·K），其提高幅度达到2135%。

2.2.8　导热环氧树脂复合材料

高导热聚合物基复合材料因其良好的导热和电绝缘性能在电机、电子封装、LED照明、航空航天等领域发挥巨大的作用，具有广泛的发展前景。特别是在当代环境保护和可持续发展要求的浪潮下，塑料取代传统铝材用于LED照明散热器外壳已成为发展要求的必然趋势。但高分子材料一般导热性较差，其热导率在25℃时均低于0.50W/（m·K），如环氧树脂只有0.20W/（m·K）。为了满足微电子、电机、LED等行业的发展需求，制备具有高效导热且综合性能优异的聚合物基复合材料是目前研究的热点。目前国内对导热聚合物材料的研究刚刚起步，研发水平和生产技术水平均较低，阻碍了导热材料在LED照明散热器上的普遍应用。为了尽快开发高效、低成本导热复合材料，满足LED照明发展需要的大趋势，制备综合性能优异的高导热聚合物迫在眉睫。本例以环氧树脂为基体，采用MgO作为主要导热填料，结合纤维增强，通过各种导热填料的复配、控制导热填料在基体中的分布等方法促使导热网络的形成，从而提高导热效率，降低导热填料的添加量；并运用适当的填料表面处理和分散技术，以基本保持环氧树脂原有力学性能、电绝缘性能以及质轻的优势，获得综合性能优异的复合材料。

（1）配方（体积分数/%）

环氧树脂EP　　　　　　　　70

MgO　　　　　　　　　　　30

KH560　　　　　　　　　　适量

固化剂　　EP的14%（质量分数）

注：环氧树脂（EP）为双酚A缩水甘油醚，EPON828，环氧值0.52mol/100g；氧化镁（MgO）粒径10μm，球状，表面未处理，白度89.9，热导率48～60W/（m·K），密度3.58g/cm3；四乙烯五胺：分子量为189.30，天津市福星化学试剂厂。固化剂后加，以进行固化反应。

（2）加工工艺

① 填料表面处理　MgO使用前需100℃真空干燥10h。硅烷接枝改性MgO颗粒，具体方法如下：在500mL烧杯中加入真空干燥后的MgO粒子，约为5%（质量分数）MgO粒子的硅烷偶联剂以及硅烷用量10倍的无水乙醇。将配有机械搅拌桨的烧杯放置于60℃的水浴中，超声波处理至少20min，乙醇洗涤一次后，再超声搅拌10min，取出乙醇洗涤一次，抽滤后静置30min，放于真空烘箱中，80℃干燥14h，取出后用研钵研磨，并用200目的分子筛过滤后放置玻璃皿中待用。

② 环氧复合材料的制备　称取一定量的环氧树脂EPON828（EP），在60℃水浴中预热10min，然后加入所需的MgO填料，超声搅拌20min，取出放入真空烘箱抽真空30min左右，待气泡基本消失后取出，静置冷却，加入固化剂［均为EP的14%（质量分数）］，超声搅拌2min，放入干燥器中抽真空5min，取出，快速倒入模具，将模具放入干燥器中抽真空3min，放气后，再次抽真空3min，放气后取出盖好模具，开始压制成型，35℃固化24h，70℃后固化2h。

（3）参考性能　图2-15和图2-16比较了填料添加量和粒径大小对复合材料热扩散系数和热导率的影响，从图中可以看出，对于同样的基体、同样的加工工艺、同等的填料添加量，粒径为10μm的环氧树脂复合材料的热导率比粒径为50μm的复合材料的热导率要高。

当填料添加量同为50%（体积分数），10μmMgO填充的EP/MgO复合材料热导率比50μmMgO填充的EP/MgO复合材料的热导率高24%。随着用量的增加，热导率呈直线式增长，特别是在40%～50%（体积分数）的时候，热导率剧增，说明在高填充量时，复合材料体系形成了导热网络，很大程度上提高了复合材料的导热性。

表2-10为MgO用量对EP/MgO复合材料的力学性能的影响。由表2-10可知，随着MgO含量的增加，冲击强度呈先降低后升高再降低的趋势。当MgO用量为10%（体积分数）时，冲击强度达到最小值5.8kJ/m2，为纯环氧树脂冲击强度（15.9kJ/m2）的36.5%。其原因是：当复合材料受到外力时，应力可以通过界面层由基体传递给MgO，但因为MgO含量较少，没能充分分散应力，出现裂纹，且其加入使体系没能很好地黏合，所以冲击强度下降。当填料用量进一步增加时，MgO起到了改善缺陷的作用。此外，经过表面改性的MgO比表面积大，表面存在不饱和键及不同键合状态的羟基，使其与环氧树脂结合较好，键合能力较强，在裂纹扩展过程中，能充分吸收、传递、分散材料所受应力，从而提高材料的冲击强度。但当MgO用量进一步增加时，颗粒在基体中产生团聚现象，复合材料内部产生缺陷，造成应力集中，使材料的冲击强度下降。因此复合材料的冲击强度呈先降低后升高再降低的趋势。

当MgO颗粒用量低于10%（体积分数）时，EP/MgO复合材料的弯曲强度随MgO颗粒用量的增加而降低，填充量为30%（体积分数）时，弯曲强度为84.7MPa，保持着较好的力学强度，但当填充量为40%（体积分数）时，弯曲强度仅为69.8MPa。这是因为高填充量的填料可能出现沉降和团聚，当材料受外力的时候，就会出现应力传递不均，局部出现应力集中，从而导致复合材料破坏。填料的部分团聚不但不能阻止裂纹的扩展，还会起到导致初始裂纹的作用，使得材料的弯曲强度降低。

复合材料的拉伸强度呈现先降低后升高再降低的趋势，当MgO添加量低于20%（体积分数）时，体系的拉伸强度降低；但当MgO用量从20%（体积分数）升至30%（体积分数）时，复合体系拉伸强提高了12.4%，MgO用量进一步增加，拉伸强度迅速下降。

综上所述，采用MgO用量5.0%（质量分数）的KH-560对MgO粒子进行表面处理可获得较高的热导率；粒径10μm的MgO较有利于改善复合材料的导热性能；当添加量为30%（体积分数）时，冲击强度为11.0kJ/m2，弯曲强度为84.7MPa，拉伸强度为50.0MPa。　

2.2.9　聚苯硫醚PPS抗静电导热塑料

在电子技术领域，由于电子线路的集成度越来越高，热量的聚积也越来越多。热量的聚积导致器件温度升高，工作稳定性降低。根据Arrhenius公式，温度每升高10℃，处理器寿命降低一半。因此，用于处理器的材料要求具有高导热性能，以便热量迅速传导出，达到降温目的。对于高集成度芯片，其设计热能很高，以致普通散热装置难以保证有效散热。对于需要导热的器件，多是通过高导热陶瓷，如氮化铝、氮化硼等承担。由于陶瓷产品的加工难度高，易破裂，人们开始寻求由容易加工、耐冲击的塑料来制备导热材料。

目前采用的基体塑料为聚丙烯、聚氯乙烯等通用塑料。因此热导率低，工作温度低，填料硬度高，对设备磨损大，容易产生静电。静电的产生带来了许多麻烦，如静电放电，其通过放电辐射、静电感应、电磁感应和传导耦合等途径危害电子设备，使得设备产生各种故障，缩短使用寿命。随着电子电器产业的迅猛发展，对抗静电导热塑料的需求越来越高，比如电路板材料、散热器件（如CPU散热器）、CPU风扇、电子隔离板、半导体设备外壳、移动通信设备的外壳，要求既导热又能抗静电，加工容易，成本低并具备良好的耐热性能，热变形温度一般大于260℃，可在180～220℃温度范围使用，PPS是工程塑料中耐热性最好的品种之一；耐腐蚀性接近四氟乙烯，抗化学性仅次于聚四氟乙烯；电性能优异；力学性能优异；阻燃性能好。本例采用的塑料基体为聚苯硫醚PPS，填料为硫化锌制备的抗静电导热塑料。

（1）配方（质量分数/%）

苯硫醚　　　　　　　　　　59

硫化锌　　　　　　　　　　40

硅烷偶联剂　　　　　　　　0.5

改性亚乙基双脂肪酸酰胺　　0.5

（2）加工工艺　先将400kg粒径分布为50μm占30%、400μm占70%的硫化锌和5kg硅烷偶联剂加入高速混合机中，在温度为100℃下混合；再加入590kg聚苯硫醚和5kg改性亚乙基双脂肪酸酰胺分散剂到高速机中混合，然后将混合物转移到挤出机，在温度为290℃时挤出造粒，即得到一种抗静电导热塑料。

（3）参考性能　ZnS含量对PPS热导率和电性能的影响见表2-11。

2.2.10　聚碳酸酯高强度绝缘导热塑料

导热塑料是随着LED行业的快速发展而逐渐兴起的，导热材料可以作为LED部件如外壳、散热器、基板、反射器、插件和其他部件。近几年来国际上许多塑料公司研发的导热塑料制品大多选用工程塑料和通用塑料基材，如PA、PPS、PBT、PEEK、ABS、PP等。普通塑料的热导率一般在0.2W/（m·K）左右，而填充导热填料的导热塑料则可在1～20W/（m·K）左右。

—般可将导热塑料分为绝缘导热塑料和导电导热塑料。一般绝缘导热塑料的填料有：高导氧化物（BeO、MgO、Al2O3、CaO、NiO）；碳化硅（SiC）；氮化物［氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）等］；导电导热绝缘塑料的填料有：石墨及其衍生物（石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等）中的一种、两种或多种材料混合（少量避免导电效应）。

通常为提高导热塑料的导热性能，会选择导热性能好的导热塑料，同时为提高填充量，而导致导热塑料在实际应用过程中会出现流动性差及强度不满足要求的情况，稍微施加外力，就会导致产品被折断，这样会大大限制导热塑料作为受力结构件的应用，同时也无法满足高量产的生产需求。本例采用聚碳酸酯（PC）为基体制备高强度绝缘导热塑料，通过使用两种形状不同的导热填料，使导热塑料在较少添加量（<30%）的情况下能达到较高的热导率［>0.5W/（m·K）］。可以应用于手机、平板电脑、VR/AR等移动终端上，用于制作这些移动终端的电池盖、后盖等移动终端的结构件，具有高强度和良好的导热性能。

（1）配方（质量分数/%）

聚碳酸酯　　　　　　　　　　　　80

氮化铝　　　　　　　　　　　　　 5

氮化硼　　　　　　　　　　　　 　 5

硅烷偶联剂　　　　　　　　　　适量

甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯共聚物　 1

油酸　　　　　　　　　　　　　 　1

棕榈酸　　　　　　　　　　　　　 0.5

抗氧化剂　　　　　　　　　　　　0.5

流动性改性剂　　　　　　　　　　　1

相容剂　　　　　　　　　　　　　　1

（2）加工工艺　将硅烷偶联剂按照1∶8的比例分散在无水乙醇中，然后将导热材料与分散在乙醇中的硅烷偶联剂按体积比80%∶20%混合，在温度为90～120℃、搅拌速度为300～600r/min的条件下搅拌30～60min，然后抽滤处理过的填料；将塑料基体与处理过的填料、增韧剂、抗氧化剂、流动改性剂混合，以得到混合物；将混合物转移到挤出机，在温度为230～260℃条件下挤出造粒。

（3）参考性能　制得的高强度绝缘导热塑料的热导率为0.766W/（m·K），机械强度在10MPa以上。可以应用于手机、平板电脑、VR/AR等移动终端上，用于制作这些移动终端的电池盖、后盖等移动终端的结构件，具有高强度和良好的导热性能。

2.2.11　PA6手机外壳用导热塑料

随着手机制造工艺的发展，对制造手机外壳的材料也提出了更多要求。目前制作手机外壳的材料要求具有强度高、耐热导热性良好、尺寸稳定、外观好等特点，当下主要采用ABS、PC、PC/ABS等工程塑料、合金与碳纤维或玻璃纤维的复合材料等，另外还有一些手机则使用金属材料，如镁、铝、不锈钢等合金。手机外壳的新技术向轻量薄壁化方向发展，以达到保护、散热、美观的作用。而目前的金属外壳存在的主要问题是：质量重、成本高、不易加工、不绝缘等。另外，采用普通塑料材质的外壳，其导热性能差，无法将手机内部产生的热量及时散发出去，将对手机的性能造成一定影响。本例提供一种手机外壳导热塑料的制备方法，旨在解决目前加工手机外壳材料不能满足加工要求的问题。

（1）配方（质量份）

PA6　　　　　　　　35～50

氧化铝（Al2O3）　　15～25

石墨　　　　　　　　15～20

阻燃剂　　　　　　　5～15

偶联剂A-151　　用量为氧化铝的2%

（2）加工工艺　将PA6、阻燃剂、偶联剂A-151、导热填料Al2O3和石墨用高混机混合10min。对混合后的材料进行挤出造粒并干燥得到导热塑料粒子。

挤出工艺参数：挤出温度220～270℃，主喂料频率8Hz，侧喂料频率10.5Hz，主机转速30r/min，主机电流频率28.7～29.3Hz。干燥：鼓风恒温干燥箱中100℃干燥10h。使用导热塑料粒子进行注塑得到导热塑料手机外壳。注塑成型工艺参数：射嘴温度240℃，料筒前中后段温度分别是230℃、220℃、210℃，模具温度80℃，背压1～3MPa。加工温度根据该物料的熔融温度、最大塑化温度、分解温度等来调试，也可通过转矩流变仪来直接测定。背压根据树脂的成型收缩率大小来调试，在此背压下注塑使制品尺寸更稳定。

（3）参考性能　导热塑料手机外壳导热性能是以PA6为基材，氧化铝和石墨为导热填料的复合材料制备的，其热导率为7.5W/（m·K）（平面方向）、1.5W/（m·K）（Z轴方向）；并且由PA6和氧化铝、石墨形成的塑料所制备的手机外壳强度高，不易产生划痕，同时也保持了很好的韧性，触感细腻，极为适合生产手机外壳。

2.2.12　聚丙烯抗老化导热塑料

电子线路的集成度越来越高，热量的聚集也越来越多。热量的聚集导致器件温度升高，工作稳定性降低。因此，对其材料要求具有高导热性能，以便热量迅速传导出。然而，市面上的电子产品中使用的导热塑料由于采用的基材多为非耐高温材料，导致其制得的产品的热导率不高。长期在较高工作温度下使用，易造成塑件老化性能下降，发生龟裂，降低使用寿命。为此需要开发一种抗老化且导热性能好的塑料产品。

（1）配方（质量份）

PP　　　　　　　　164

邻苯二甲酸二辛酯　　24

CPE　　　　　　　　13

宝红　　　　　　　　14

滑石粉　　　　　　　14

载银磷酸锆　　　　　13

抗氧化剂DLTP　　　　17

甲基苯二醇　　　　　19

（2）加工工艺　抗老化导热塑料的制备：将164质量份PP、24质量份邻苯二甲酸二辛酯、13质量份CPE、14质量份宝红、14质量份滑石粉、13质量份载银磷酸锆、17质量份抗氧化剂DLTP和19质量份甲基苯二醇混合放入搅拌机，搅拌均匀后放入密炼机密炼，密炼温度为170～175℃、转速为900～950r/min；然后将密炼后的混合物经造粒机造粒，得到颗粒，将颗粒放入水槽冷却，然后在常温下干燥。

（3）参考性能　材料热导率3.78W/（m·K），拉伸强度（GB/T 1040.1—2006）：25～30MPa，冲击强度（GB/T 1043—2008）：6.5～7.5kJ/m2；500h光老化冲击强度保持率：100%。

2.2.13　HDPE抗菌导热塑料

在家电生产的很多环节要用到塑料。但是日常生活中，相当一部分有害细菌是在塑料制品的表面存在并繁殖的，如电话、洗衣机、电脑、冰箱、电器开关等，且通过接触而导致各种疾病；因此对日常生活中接触频繁的塑料部件提出了“抑菌、杀菌”的需求，这就要求我们生活中使用的各种塑料产品具有抗菌防霉的功效。家电用抗菌塑料具有良好的应用前景，随着国家有关标准GB 21551.2—2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能　抗菌材料的特殊要求》的正式出台，抗菌塑料在家电市场的前景也将更加广阔。家用电器电子线路的集成度越来越高，热量的聚集也越来越多。热量的聚集导致器件温度升高，工作稳定性降低。因此，还需考虑家电塑料的导热散热性。本例提供一种抗菌导热塑料的制备方法。制品的抗菌、导热性较好，且制备工艺简单，产品成本低，产品的综合性能较优异。

（1）配方（质量份）

HDPE　　　　　　160

甲醛　　　　　　　21

氢氧化铝　　　　　10

氯化石蜡　　　　　12

三乙烯四胺　　　　14

氧化锆　　　　　　11

甲醇　　　　　　　10

过氧化二异丙苯　　10

（2）加工工艺　将160质量份HDPE、21质量份甲醛、10质量份氢氧化铝、12质量份氯化石蜡、14质量份三乙烯四胺、11质量份氧化锆、10质量份甲醇和10质量份工业级的过氧化二异丙苯混合放入搅拌机，搅拌均匀后经过常规的密炼、开炼，然后将开炼后的混合物经造粒机造粒，得到颗粒，将颗粒放入水槽冷却，然后在常温下干燥。

（3）参考性能　拉伸强度（GB/T 1040.1—2006）：35～37MPa；断裂伸长率（GB/T 1040.1—2006）：15%～16%；冲击强度（GB/T 1043—2008）：3～4kJ/m2；弯曲强度（GB/T 9341—2008）：45～46MPa；氧指数（GB/T 2406—2008）：39%～41%；垂直燃烧级别UL94V-0。

2.2.14　聚酰胺6绝缘导热塑料

目前绝缘导热塑料中的导热粉体主要有氮化铝和氧化镁，虽然两者在绝缘性和导热性上可满足一些应用要求，但还存在以下问题：①要求导热粉体填充量高才能达到一定的热导率；②高导热粉体填充量会导致熔体黏度大，给加工带来技术难度；③由于氧化铝的硬度较高，会导致导热粉体变色以及对加工设备造成磨损。本例的绝缘导热塑料由塑料基体、绝缘导热填料和加工助剂制备而成。塑料基体材料采用聚酰胺6，其热导率为0.27W/（m·K）。绝缘导热填料采用改性氧化锌，其粒径为1μm，热导率为30W/（m·K）。改性氧化锌由十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂对亚微米氧化锌粉体进行表面有机化改性而制得。

（1）配方（质量分数/%）

聚酰胺6　　　73

改性氧化锌　　25

抗氧剂　　　　1

润滑剂　　　　1

（2）加工工艺

① 绝缘导热填料改性处理　先将氧化锌放入电热恒温鼓风干燥箱中，在100℃下干燥3h；然后将氧化锌粉体移入高速混合器中，在1500r/min的转速搅拌下喷雾加入十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂质量分数为20%的稀释液；再升温至110℃继续搅拌0.5h，最后在110℃下干燥4h，即制得改性氧化锌粉体，密封保存待用。

② 原料搅拌处理　先将聚酰胺6放入电热恒温鼓风干燥箱中，在120℃下干燥4h；然后按质量配比取制得的25%改性氧化锌、73%干燥后的聚酰胺6以及2%加工助剂放入高速混合机中搅拌15min，搅拌速度为2500r/min；其中，加工助剂包括抗氧剂和润滑剂，其质量分数均为1%。

③ 挤出造粒处理　制得的混合原料经双螺杆挤出机直接挤出造粒，挤出温度为270℃，挤出的粒料直接通入真空干燥箱。制备的粒料在120℃下干燥4h。

（3）参考性能　成品后，绝缘导热塑料的热导率达到2.05W/（m·K），电阻率为7.29×1010Ω·m，表现出优良的导热性和绝缘性。

2.2.15　聚酰胺6晶须增强导热塑料

聚己内酰胺树脂的机械强度高、韧性好。晶须由于具有长径比大、耐高温、抗化学腐蚀、强度高、易表面处理的优点，与PA6复合后使聚合物性能得到很大提高，且易制成形状复杂、细小、精确度好、表面光洁度高的制品。通过加入晶须，改变聚己内酰胺的结晶速率，在提高其热导率的同时实现对其力学性能的改进和提高，解决现有导热塑料导热性能低、力学性能较差的问题。本例制备的晶须增强导热塑料可广泛应用于LED灯具领域。

（1）配方　聚酰胺6晶须增强导热塑料配方见表2-12。

（2）加工工艺　利用偶联剂对导热绝缘填料及无机晶须进行表面处理：将偶联剂进行雾化后，将导热绝缘填料及无机晶须通入雾化室中，使导热绝缘填料及无机晶须在雾化室内停留1～2min，使导热绝缘填料微粒及无机晶须表面均匀覆盖着偶联剂，再将经表面处理的晶须及导热绝缘填料装入双螺杆挤出机的侧喂料系统；将PA6树脂原料在105℃下鼓风干燥5h；将干燥后的PA6树脂、抗氧剂及其他加工助剂加入高速混合机中混合均匀，混合的物料装入双螺杆挤出机的主喂料系统；获得的树脂混合物及经过表面处理后的无机晶须和导热绝缘填料分别通过双螺杆挤出机的主喂料系统和侧喂料系统加入到挤出机中挤出造粒，通过控制主、侧喂料系统的喂料频率控制绝缘导热填料的含量，经熔融、挤出、造粒、水冷、风干、切粒、干燥得到晶须增强导热塑料；双螺杆挤出机的加工工艺条件如下：温度为一区160～180℃，二区170～220℃，三区200～250℃，四区200～250℃，五区210～250℃，六区190～250℃，机头200～240℃；螺杆转速为300r/min；物料在料筒的停留时间控制在2min以内。

（3）参考性能　根据表2-12中的配方生产得到的6种不同产品的物性测定结果如表2-13所示。结果表明，晶须增强导热塑料在弯曲强度、断裂伸长率等力学性能及导热效果方面相比于未添加晶须的产品具有更佳的效果。

2.2.16　尼龙6低成本环保导热塑料

本例为一种低成本环保尼龙6导热塑料，采用具有一定阻燃功能的极性无机填料和其他导热填料混合，既提高塑料的整体阻燃性能，无有毒物质产生，同时也减少了价格昂贵的导热填料用量，降低成本，又不影响力学性能；同时，制备方法简单，操作方便，生产成本低，产品性能稳定，能够满足LED灯使用要求，适合推广使用。

（1）配方（质量份）

尼龙6　　　　　　　　　　　　　　40

阻燃剂氢氧化铝　　　　　　　　　　26

导热填料滑石粉　　　　　　　　　　9

硅烷偶联剂KH-550　　　　　　　　 0.01

抗氧剂为抗氧剂1098　　　　　　　　0.25

增韧剂马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物　　2

润滑剂TAF　　　　　　　　　　　　　0.6

光稳定剂金红石型钛白粉　　　　　　　2

无碱玻璃纤维　　　　　　　　　　　　12

注：尼龙6相对黏度为2.4。

（2）加工工艺　首先将硅烷偶联剂均匀喷淋在导热填料上，对导热填料进行预处理；接着将处理过的导热填料放置到高速混合机内，同时在高速混合机内加入尼龙、阻燃剂、抗氧剂、增韧剂、润滑剂和光稳定剂，开启高速混合机，以转速8000r/min旋转10min后，制备成均匀混合物备用；制备好的混合物用双螺杆挤出机挤出造粒，在此过程中玻璃纤维从玻璃纤维加入口加入，此过程的加工温度200℃，螺杆转速200r/min；挤出机各段温度如下：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℃、机头温度226℃。

（3）参考性能　制备出的导热塑料热导率为0.8W/（m·K）。

2.2.17　导热塑料专用石墨烯微片

石墨烯是由一层碳原子以sp2杂化形成的蜂窝状六角平面结构的二维材料，其厚度仅为0.335nm，是目前世界上已知的最薄材料。石墨烯具有高的力学模量（1.0TPa）、热导率［5300W/（m·K）］、比表面积（2630m2/g）和电荷迁移率［250000cm2/（V·s）］，在能源、电子材料、生物医学以及环境保护等诸多领域具有潜在的应用前景。

导热塑料具有易成型、密度低、绝缘耐高压、使用方便等特点，在电力工业、电子工业等领域中有着越来越广泛的应用前景和潜力，尤其是在LED灯泡、电池组散热外壳等产品中被广泛采用。导热塑料中的高分子材料大多是热的不良导体，要拓展其在导热领域的应用，必须对高分子材料进行改性。石墨烯作为一种导热材料与高分子基体复合，得到了性能较好的导热塑料。目前，主要是在高分子材料中加入石墨烯粉末，因为碳具有良好的热传导性能，使得经过石墨烯改性处理的高分子材料也具有良好的导热性能。

本例以天然鳞片石墨为主要原料，利用尿素进行插层改性，通过双螺杆振动挤出机进行剪切剥离，利用尿素在加热条件下快速分解放出大量气体，使大量石墨层发生剥离，通过不同阶段的温度控制，将鳞片石墨逐层剥离成石墨烯微片，减少石墨烯微片的结构缺陷，提高石墨烯的导热性能；然后通过有机微胶囊对石墨烯微片进行包覆，降低石墨烯的导电性，提高石墨烯微片与导热塑料高分子的相容性，提高石墨烯的利用率，降低石墨烯在导热塑料中的应用成本。制备的石墨烯微片可以直接添加到导热塑料中，解决了目前石墨烯应用到导热塑料中必须通过溶液分散的问题。

（1）配方（质量份）

天然鳞片石墨　　70

纳米氧化铝　　 10

水性硬脂酸镁　　5

（2）加工工艺　将70质量份的天然鳞片石墨、10质量份的纳米氧化铝、5质量份的水性硬脂酸镁通过膨化挤压机混合30～50min得到预混物；得到的预混物与浓度为20mol/L的尿素溶液按1∶5的质量比混合后，在60～80℃、搅拌下反应1～2h，离心分离，所得沉淀物用无水乙醇洗涤、干燥后，制得尿素插层石墨复合物；然后将尿素插层石墨复合物泵入双螺杆振动挤出机，双螺杆振动挤出机由进料端向出料端依次设置研磨段、插层段、剥离段，控制研磨段温度60～80℃、插层段温度150～180℃、剥离段温度180～360℃；在螺杆挤出机挤出过程中，插层在石墨复合物中的尿素分解释放出大量气体，使大量石墨层发生剥离，通过振动挤出机的高速旋转剪切力场和振动拉伸力场，使已发生剥离的鳞片石墨快速剥离成石墨烯微片；经双螺杆振动挤出机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℃搅拌分散20～40min，然后冷却、静置、抽滤，在60～80℃干燥，得到有机微胶囊包覆的石墨烯微片；得到的有机微胶囊包覆的石墨烯微片粉碎至粒径小于10μm的粉末，即可作为导热塑料专用石墨烯微片。

（3）参考性能　导热塑料专用石墨烯微片/尼龙复合材料性能见表2-14。

2.2.18　含鳞片石墨导热塑料填料的制备

随着汽车、电子行业的飞速发展，高集成、超高集成电路和LED产业应运而生，这为科技进步、社会发展做出了巨大贡献，同时也带来了严峻问题。电子产品、LED节能灯在使用时会产生大量热量，这些热量如果不能够及时散发，会降低产品的效率，并且还会降低其使用寿命。因此，人们对导热材料提出了越来越高的要求，希望获得具有良好导热性能的材料以满足实际需要。导热塑料因其既具有金属和陶瓷的热传递性能，又具有重量轻、成型加工方便、产品设计自由度高等优点，因此在制备散热材料时越来越受到市场的重视。

石墨具有热导率高、热膨胀系数低、热稳定性高以及价格低廉等优点。因此，以石墨作为填料的导热塑料的研究引起了人们的关注。石墨在自然界中具有多种形态的存在形式。其中，鳞片状石墨具有石墨化程度高、结晶取向度好以及较低的电阻率和热膨胀系数等优异的性能，非常适合作为导热填料，使用少量填料即可达到较优的导热性能。但其质轻，堆积密度过小，挤出加工生产时会黏附在喂料料斗内壁，下料难，无法实现正常生产，因此无法直接进行利用，需要进行处理。现有处理技术大都是先以浓硝酸为氧化剂、浓硫酸为插层剂，经过700～1000℃的高温处理得膨胀石墨，再利用Hummers氧化法制备表面含丰富—OH、环氧基，侧面含—OH、—COOH的氧化石墨，然后利用有机物表面修饰氧化石墨，再进行使用。采用此方法对鳞片石墨进行前处理，处理过程极为烦琐，对设备要求也很苛刻（需耐1000℃高温），大大增加导热塑料的生产成本，而且石墨结构已由片状变为蠕虫状，制备的导热塑料导热性能不佳。复合材料的导热性能依赖于导热填料的含量，而填充量过高时（超过50%），又不可避免地会带来加工困难（如出现断条现象）和力学性能差等问题，使得导热复合材料在一些对导热性能和力学性能均有较高要求的领域内不适用。

本例针对现有鳞片石墨导热填料应用缺陷和高导热高填充技术存在的不足，提供一种可实现高填充量的含鳞片石墨导热填料及由其制备的高导热复合材料。该含鳞片石墨导热填料制备工艺简单，可做到高达65%的填充量，不出现生产断条现象，由其制备的高导热复合材料具有优异的导热性能和良好的力学性能，拓宽了导热复合材料在散热器、电子电器、汽车、LED照明等领域中对散热和力学性能有更高要求部件中的应用。

（1）配方　不同组分配方见表2-15。

（2）加工工艺　石墨导热填料的制备：分别称取D50粒径为8.56μm的鳞片石墨粉6份和D50粒径为175μm的非鳞片石墨粉24份，于80℃温度下高速混合均匀得到石墨混合物；称取5份低黏度的双酚A型液态环氧树脂投入行星动力混合机内，升温至100℃，于搅拌状态下将石墨混合物分3次慢慢地投入行星动力混合机内，搅拌制成均匀黏稠状混合物后投入2份四（2-羟乙基）己二酰胺固化剂，继续搅拌至小粒块状膏体物即可。

高导热复合材料的制备：按照表2-15的物料配比，将PA6树脂、制得的石墨导热填料及其他助剂加入混合机混合后，从主喂料口加入双螺杆挤出机中，玻璃纤维增强填料从侧喂料加入双螺杆挤出机，熔融共混后，经冷却、风干和造粒，性能测试如表2-16所示。

由于尼龙性能类似，此例中的PA6也可以用PA66、PA46或者它们的混合物进行替代。