導熱PA6復合材料導熱性能的研究*

麥偉宗，王 飛，黃李勝，李 景，許燈波

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665)

由于現階段單個LED輸出光束低，對一般照明使用，將需大量LED元件于一塊模組中以達到所需照度。但LED光電轉換效率極差，大約只有15%至20%電能轉為光輸出，其余均轉換成熱能，因此，當大量使用LED于一塊模組，這種極差的轉換效率將造成散熱困難，進而影響LED驅動器效率、損害磁性元件及輸出電容器等的壽命，使LED驅動器可靠度降低(一般元件的工作溫度需控制在80℃以下)，嚴重降低LED的壽命，加速LED的光衰。

對于解決LED散熱問題，熱塑性導熱塑料是一種理想的選擇。導熱塑料能被用于LED燈具的設計，可以達到降低溫度、增加亮度和提高產品使用壽命的效果。另外，熱塑性塑料采用普通注塑機一次注塑成型，可以進一步簡化加工步驟，提高生產效率。另外，導熱塑料密度較小，相比普通金屬，其密度成倍下降，同等質量的導熱塑料可以做出兩倍到三倍的成品。因此，近些年有不少關于導熱塑料的文獻報道［1－5］，但得到的導熱塑料的導熱系數普遍偏低，不能滿足實際應用的需要。本文針對這一問題，綜合考慮LED對導熱塑料力學性能和導熱性能的要求，以PA6作為導熱塑料基體，開發了PA6導熱塑料并對其導熱性能進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PA6:2400，工業級，廣東新會美達錦綸股份有限公司;PA6:BR－1，一級回料，半透明;POE-M:3C，沈陽四維高聚物塑膠有限公司;氮化硼:BN2U，工業級，粒徑2微米;氮化硼:BN5U，工業級，粒徑5微米;氮化硼:BN15U，工業級，粒徑15微米;氧化鋁:A45u，工業級，粒徑45微米，球形;氧化鋁:A5u，工業級，粒徑5微米，球形;抗氧劑:1010，工業級，上海金海雅寶精細化工有限公司;抗氧劑:168，工業級，上海金海雅寶精細化工有限公司。

1.2 設備與儀器

激光導熱儀器:NETZSCH LAF447;平行同向雙螺桿擠出機:Φ52，南京瑞亞高聚物裝備有限公司;注塑機:PL860，寧波海天塑機集團有限公司。

1.3 試樣制備

將PA6、POE-M、氧化鋁、氮化硼分別于90℃干燥4h，按照一定比例置于高速混料機中混合8min，在265℃下進行造粒。切粒后粒子在90℃干燥4h后注塑成標準樣條，然后放置48h后檢測。

1.4 測試與表征

導熱系數按ASTM E－1461測試，樣品厚度2mm。

2 結果與討論

2.1 Al2O3用量對PA6復合材料導熱性能的影響

首先我們研究了Al2O3的用量對Al2O3/PA6復合材料導熱性能的影響，Al2O3用量與復合材料導熱系數的關系列于表1。

表1 不同氧化鋁加入量的PA6復合材料的導熱系數Tab1 Thermal conductivity of PA6 composites of different content of Al2O3

從表1可知，純PA6的導熱系數為0.338W/(K·m)，加入氧化鋁能提高PA6復合材料的導熱性能。隨著Al2O3填充量的增加，復合材料的導熱系數逐漸升高，證明氧化鋁可提高尼龍6的導熱系數，Al2O3含量為50%時，復合材料的導熱系數為純PA的1.57倍，復合材料的導熱性能沒明顯提升。

2.2 氮化硼(BN)用量對PA6復合材料導熱性能的影響

采用了有更高導熱系數的BN作導熱填料，研究其填充量對PA6復合材料導熱性能影響。BN用量與復合材料導熱系數的關系列于表2。

表2 不同氮化硼加入量的PA6復合材料的導熱系數Tab.2 Thermal conductivity of PA6 composites of different content of BN

從表2可知，隨著BN填充量的增加，復合材料導熱系數逐漸升高，當BN填充量高達50%時，復合材料導熱系數也只有0.523W/(K·m)，可見單純使用BN也不能提高復合材料導熱性能。

由以上結果可知，無論是氧化鋁還是氮化硼，僅僅使用一種導熱填料對復合材料導熱性能的提高沒有太大幫助，這是因為復合材料的導熱性能取決于材料中是否能形成連續的導熱網絡，當導熱填料粒子之間未形成較好的接觸，導熱網絡發生中斷，導熱性能便不能得到有效提高。

2.3 復配助劑體系(質量含量為50%)對PA6復合材料導熱性能的影響

為了在復合材料中形成連續導熱網絡，將不同粒徑導熱填料進行復配，通過添加小粒徑填料以填充大粒徑填料之間的空隙，使粒子與粒子之間更容易觸碰，以便形成有效導熱網絡。所采用復配體系與復合材料導熱系數之間的關系見表3。

表3 50%含量的復配體系的PA6復合材料的導熱系數Tab.3 Thermal conductivity of PA6 composites of 50%content of different mixed system

從表3可以看出，復配助劑體系相比單一助劑，可以獲得更高的導熱系數。向大粒徑填料中復配少量小粒徑同種或異種填料即可較好提高復合材料的導熱系數。

2.4 POE-M對PA6復合材料導熱性能的影響

綜合以上研究結果，我們優化了復配助劑體系，同時考慮到填充大量填料會降低復合材料沖擊韌性，在優化復配助劑體系的基礎上添加了少量增韌劑POE-M以改善復合材料抗沖擊性能，并研究了增韌劑對復合材料導熱性能的影響，見表4。

基礎配方:50%的復配助劑體系，POE-M和PA6共50%的含量。

表4 增韌劑對導熱系數的影響Tab.4 Thermal conductivity of PA6 of difference content of POE-M

從表4可知，優化后的復配體系使得復合材料的導熱系數得到大幅提升，50%質量分數復配體系填充PA6復合材料的導熱系數高達1.869 W/(K·m)，為純PA的5.5倍。但增韌劑POE-M的加入反而降低了復合材料的導熱性能。

3 結論

(1)氧化鋁和氮化硼的添加可提高尼龍6復合材料的導熱系數，且含量越高，導熱系數越高，但是單一添加導熱系數增長緩慢。

(2)采用不同粒徑的氧化鋁和氮化硼復配可大幅度提高材料的導熱系數。在相同添加50%含量的導熱助劑下，單一添加時，導熱系數只能在0.5W/(K·m)至0.6W/(K·m)之間，但經過復配后，導熱系數最高可達到0.919W/(K·m)。

(3)減少POE-M的用量可提高材料的導熱系數。

［1］程亞非，楊文彬，徐超星，等.PA基導熱絕緣復合材料的制備及性能研究，功能材料［J］，2013，44(5):1 －4.

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