[发明专利]导热性能优良的碳纤维增强树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种导热性能优良的碳纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

聚丙烯(PP)具有密度低、耐腐蚀、易加工、力学均衡性好、价廉等优点，是通用树脂中耐热性最好的产品。自工业化生产以来发展速度一直居各种塑料之首，广泛应用于汽车工业、家用电器、电子电器、包装及建材等领域。在我国，聚丙烯制品产量已超过聚氯乙烯(PVC)制品，仅次于聚乙烯，居第二.位，占我国塑料制品总量的25％。

随着电子元器件和电子电器设备越来越向着薄壁、轻量、小型化方面的发展，聚丙烯树脂在用于制作家电和电器电子壳体、非绝缘耐热性较低的电子元器件时，面临导热性能差和力学性能(尤其是刚性)不足的问题。

高分子材料刚性和导热性的提高均可采用复合改性方法。为提高聚丙烯树脂的刚性，往往可以通过玻璃纤维、碳纤维等增强复合的方法，其中增强用的碳纤维主要是聚丙烯腈基碳纤维，它能够显著提高聚丙烯材料的强度和模量，但是对提高导热性作用不大。为提高聚丙烯的导热性，通常采用填充高热导率的填料粒子，制备填充型导热复合材料。常用的导热填料包括：一、金属填料，如银、铜、铝、镁、镍等粉末；二、无机非金属填料，如氮化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅等氮化物、氧化物、碳化物等；三、具有石墨结构的碳材料，如石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维及沥青基碳纤维等。但是金属导热填料存在密度大、有腐蚀性以及带来聚丙烯材料力学性能下降等缺点；无机非金属填料对聚丙烯树脂导热性提高并不是很有效果，往往也会使聚丙烯树脂力学性能下降。而采用碳材料中的石墨烯、碳纳米管及纳米碳纤维等的方法虽然能够显著提高聚丙烯树脂的导热性，但这些材料尚不能工业化大规模生产，价格昂贵，所涉及的技术更是仅仅停留在实验室研究阶段。高性能沥青基碳纤维是少有的已经实现大规模工业化生产的具有石墨结构的碳材料，日本帝人公司(中国专利公开CN101935919B，CN101163825B及CN101163828B)采用了高导热沥青基碳纤维来提高聚丙烯的导热性，发现这种具有较大长径比的纤维状填料有利于在材料内部形成热传导通道，对提高材料的导热性非常有效。但是号这些技术中复合材料的制备工艺复杂，而且没对给出聚丙烯力学性能改善的效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可同时显著提高材料的力学性能和导热性能、原材料成本低、制备工艺简单的适用于工业化连续生产的碳纤维增强聚丙烯树脂复合材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

导热性能优良的碳纤维增树脂复合材料，原料包括以下组分及重量份含量：热塑性树脂100，碳纤维20～80，无机填料10～20，相容剂10～20，偶联剂0.5～5，抗氧剂0.2～1，润滑剂0～3。

所述的热塑性树脂为聚丙烯树脂，选自挤出级、注塑级、高流动级或阻燃级的粒料或粉料中的一种。

对于碳纤维的含量，本体系有严格的规定，当短碳纤维含量小于20份时，无法在聚丙烯树脂基体内形成完善的导热通道，所以对聚丙烯树脂导热性能的提高不显著。碳纤维含量越高，聚丙烯树脂的力学性能和导热性能越高。但是当短碳纤维的质量百分比过高，其含量大于80份时，对混合设备的磨损严重，缩短螺杆的使用寿命。另外，含量过高会使复合材料的熔融粘度高、熔体流动性下降，因而对成型加工带来不利，尤其不利于薄壁、复杂结构制品的成型。

作为优选的实施方式，碳纤维是高性能沥青基碳纤维，其拉伸模量大于700GPa，热导率大于200W/(mK)。可以选用商品化的系列的K1392U，K13C6U，K13D2U，K63A12或者Cytec系列的P-100 2K，P-100S 2K，P-120 2K，P-120S 2K等沥青基碳纤维，也可以是其它具有相当模量及热导率的沥青基碳纤维。

作为优选的实施方式，碳纤维还可以采用沥青基短切碳纤维，平均长度为10μm～2mm。当纤维长度小于10μm时，不利于纤维在聚丙烯树脂基体内形成连续的热传导通路，不能够有效提高聚丙烯树脂的热传导性能；所以，纤维长度值越大越有利于提高材料的强度、模量以及热传导性。但是当纤维长度大于2mm时，将造成复合材料熔融粘度高，流动性差，给后续的制品的成型加工带来困难，尤其不利于薄壁、复杂结构制品的成型加工。

所述的无机填料选自滑石粉、氧化镁、氧化铝、碳化硅、硅藻土或云母粉中的一种或几种。

所述的相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯或马来酸酐接枝POE中的一种或几种。