导热PA6复合材料导热性能的研究*

麦伟宗，王 飞，黄李胜，李 景，许灯波

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州510665)

由于现阶段单个LED输出光束低，对一般照明使用，将需大量LED元件于一块模组中以达到所需照度。但LED光电转换效率极差，大约只有15%至20%电能转为光输出，其余均转换成热能，因此，当大量使用LED于一块模组，这种极差的转换效率将造成散热困难，进而影响LED驱动器效率、损害磁性元件及输出电容器等的寿命，使LED驱动器可靠度降低(一般元件的工作温度需控制在80℃以下)，严重降低LED的寿命，加速LED的光衰。

对于解决LED散热问题，热塑性导热塑料是一种理想的选择。导热塑料能被用于LED灯具的设计，可以达到降低温度、增加亮度和提高产品使用寿命的效果。另外，热塑性塑料采用普通注塑机一次注塑成型，可以进一步简化加工步骤，提高生产效率。另外，导热塑料密度较小，相比普通金属，其密度成倍下降，同等质量的导热塑料可以做出两倍到三倍的成品。因此，近些年有不少关于导热塑料的文献报道［1－5］，但得到的导热塑料的导热系数普遍偏低，不能满足实际应用的需要。本文针对这一问题，综合考虑LED对导热塑料力学性能和导热性能的要求，以PA6作为导热塑料基体，开发了PA6导热塑料并对其导热性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

PA6:2400，工业级，广东新会美达锦纶股份有限公司;PA6:BR－1，一级回料，半透明;POE-M:3C，沈阳四维高聚物塑胶有限公司;氮化硼:BN2U，工业级，粒径2微米;氮化硼:BN5U，工业级，粒径5微米;氮化硼:BN15U，工业级，粒径15微米;氧化铝:A45u，工业级，粒径45微米，球形;氧化铝:A5u，工业级，粒径5微米，球形;抗氧剂:1010，工业级，上海金海雅宝精细化工有限公司;抗氧剂:168，工业级，上海金海雅宝精细化工有限公司。

1.2 设备与仪器

激光导热仪器:NETZSCH LAF447;平行同向双螺杆挤出机:Φ52，南京瑞亚高聚物装备有限公司;注塑机:PL860，宁波海天塑机集团有限公司。

1.3 试样制备

将PA6、POE-M、氧化铝、氮化硼分别于90℃干燥4h，按照一定比例置于高速混料机中混合8min，在265℃下进行造粒。切粒后粒子在90℃干燥4h后注塑成标准样条，然后放置48h后检测。

1.4 测试与表征

导热系数按ASTM E－1461测试，样品厚度2mm。

2 结果与讨论

2.1 Al2O3用量对PA6复合材料导热性能的影响

首先我们研究了Al2O3的用量对Al2O3/PA6复合材料导热性能的影响，Al2O3用量与复合材料导热系数的关系列于表1。

表1 不同氧化铝加入量的PA6复合材料的导热系数Tab1 Thermal conductivity of PA6 composites of different content of Al2O3

从表1可知，纯PA6的导热系数为0.338W/(K·m)，加入氧化铝能提高PA6复合材料的导热性能。随着Al2O3填充量的增加，复合材料的导热系数逐渐升高，证明氧化铝可提高尼龙6的导热系数，Al2O3含量为50%时，复合材料的导热系数为纯PA的1.57倍，复合材料的导热性能没明显提升。

2.2 氮化硼(BN)用量对PA6复合材料导热性能的影响

采用了有更高导热系数的BN作导热填料，研究其填充量对PA6复合材料导热性能影响。BN用量与复合材料导热系数的关系列于表2。

表2 不同氮化硼加入量的PA6复合材料的导热系数Tab.2 Thermal conductivity of PA6 composites of different content of BN

从表2可知，随着BN填充量的增加，复合材料导热系数逐渐升高，当BN填充量高达50%时，复合材料导热系数也只有0.523W/(K·m)，可见单纯使用BN也不能提高复合材料导热性能。

由以上结果可知，无论是氧化铝还是氮化硼，仅仅使用一种导热填料对复合材料导热性能的提高没有太大帮助，这是因为复合材料的导热性能取决于材料中是否能形成连续的导热网络，当导热填料粒子之间未形成较好的接触，导热网络发生中断，导热性能便不能得到有效提高。

2.3 复配助剂体系(质量含量为50%)对PA6复合材料导热性能的影响

为了在复合材料中形成连续导热网络，将不同粒径导热填料进行复配，通过添加小粒径填料以填充大粒径填料之间的空隙，使粒子与粒子之间更容易触碰，以便形成有效导热网络。所采用复配体系与复合材料导热系数之间的关系见表3。

表3 50%含量的复配体系的PA6复合材料的导热系数Tab.3 Thermal conductivity of PA6 composites of 50%content of different mixed system

从表3可以看出，复配助剂体系相比单一助剂，可以获得更高的导热系数。向大粒径填料中复配少量小粒径同种或异种填料即可较好提高复合材料的导热系数。

2.4 POE-M对PA6复合材料导热性能的影响

综合以上研究结果，我们优化了复配助剂体系，同时考虑到填充大量填料会降低复合材料冲击韧性，在优化复配助剂体系的基础上添加了少量增韧剂POE-M以改善复合材料抗冲击性能，并研究了增韧剂对复合材料导热性能的影响，见表4。

基础配方:50%的复配助剂体系，POE-M和PA6共50%的含量。

表4 增韧剂对导热系数的影响Tab.4 Thermal conductivity of PA6 of difference content of POE-M

从表4可知，优化后的复配体系使得复合材料的导热系数得到大幅提升，50%质量分数复配体系填充PA6复合材料的导热系数高达1.869 W/(K·m)，为纯PA的5.5倍。但增韧剂POE-M的加入反而降低了复合材料的导热性能。

3 结论

(1)氧化铝和氮化硼的添加可提高尼龙6复合材料的导热系数，且含量越高，导热系数越高，但是单一添加导热系数增长缓慢。

(2)采用不同粒径的氧化铝和氮化硼复配可大幅度提高材料的导热系数。在相同添加50%含量的导热助剂下，单一添加时，导热系数只能在0.5W/(K·m)至0.6W/(K·m)之间，但经过复配后，导热系数最高可达到0.919W/(K·m)。

(3)减少POE-M的用量可提高材料的导热系数。

［1］程亚非，杨文彬，徐超星，等.PA基导热绝缘复合材料的制备及性能研究，功能材料［J］，2013，44(5):1 －4.

［2］刘涛，余雪江，芦艾，等.BN/PA66导热复合材料制备与研究［J］，化工新型材料，2012，40(6):145－147.

［3］周文英，齐暑华，吴有明，等.BN/HDPE导热塑料的热导率［J］，高分子材料科学与工程，2008，24(2):83 －86.

［4］刘运春，殷涛，陈元武，赵建青，等.PPS/Al2O3导热复合材料的性能及其应用［J］，工程塑料应用，2009，37(2):48 －51.

［5］林晓丹，曾幸荣，张金柱，等.PPS导热绝缘导热塑料的制备及性能研究［J］，塑料工业，2006，34(3):65 －67.