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导热塑料跟碳纳米管的关系

2018-10-21  来自: 山东华企新材料科技有限公司. 浏览次数:244

一、什么是导热塑料?

导热塑料是以PP、ABS、PC、PA、PPA、PBT、LCP、PPS、PEI、PEEK等通用塑料或工程塑料为基材,将高导热复合材料添加在塑料基材中共混复合、通过热传导改性而成的新型高性能塑料。

通常加入碳纳米管来改善导热性能。山东华企新材料科技有限公司生产的粒状碳纳米管已经在塑料改性方面取得了很好的收获跟进展。


二、导热塑料的机理及导热系数是怎样的?

1.导热机理

◆填充型导热塑料的导热机理

A.导热塑料的导热性能取决于聚合物和导热填料的相互作用

B.填料种类不同其导热机理不同

金属填料是靠电子运动进行导热

非金属填料主要依靠声子导热,其热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动

C.导热填料对导热性能影响因素

填料种类

填料形体和粒径

填料含量

填料表面处理方式

导热塑料导热机理

碳纳米管

2.导热系数

导热性能的好坏主要用导热系数(单位:W/m.k)来衡量。

未经改性普通塑料的热传导率或导热系数很低,一般为0.2-0.46W/(m.K)左右,而经过热传导改性的导热塑料可依据产品要求大大提高其热传导率或导热系数,一般为2-20W/(m.K),某些特殊品级导热塑料的导热系数可达50W/(m.K)或更高,可达100W/(m.K)。通过热传导改性的塑料其导热系数是传统普通塑料的5-100倍甚至更高,这使得导热塑料的热传导率或导热系数可与某些金属媲美,如不锈钢[15W/m.K]和某些铸铝合金[50-100W/m.K]。

碳纳米管



三、有哪些导热塑料?

根据提高导热性能的途径,导热塑料可以分为:

A.合成型导热塑料

合成具有高导热系数的聚合物,如具有完整结晶、通过声子实现导热的聚合物


B.填充型导热塑料

通过高导热填料粒子、纤维、层片等对聚合物进行填充

填充型导热塑料又可分为两类:

导热绝缘塑料:

导热系数不高,1.5W/m.k 左右;

主要填料包括金属氧化物 Al2O3、MgO、SiO2,金属氮化物 AlN、Si3N4、BN 及 SiC 、B4C3等;

导热导电塑料:

导热系数可以做到5.0W/m.k或更高;

主要填料包括金属粉/ 纤维、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等;


四、导热塑料有何优点?

1.重量轻,比铝材轻 40-50%

2.成型加工方便,无需二次加工

3.产品设计自由度高


五、导热塑料对比铝的优势?

对比项目

浇铸铝散热器

导热工程塑料

导热率

比较高

相对金属较低

散热效果

较好

绝缘性能

不绝缘

绝缘

加工方式

浇铸,拉丝

注塑成型

加工温度

>500度

200~300度

二次加工

需要

不需要

系统成本

较高

相对金属略低


六、目前有哪些基材和填料?

目前市场是主要的导热塑料所采用的基材有:PS、PPS、PPA、PEEK、PC、LCP、PA6、PA66、PA46、PA12、TPE等。其中PPS产品较多,但具体使用何种基材可能与具体的导热、性能及使用场合的要求有关。


导热填料顾名思义就是添加在基体材料中用来增加材料导热系数的填料,主要填料有:AlN、SiC、Al2O3、Mg(OH)2、石墨等,其中,尤以微米级氧化铝、硅微粉为主体,纳米氧化铝,氮化物做为高导热领域的填充粉体;而氧化锌大多做为导热膏(导热硅脂)填料用。


七、导热塑料主要的用途?

1.照明领域:

导热塑料典型的应用是在照明领域,主要用于制作需要散热良好的LED节能灯灯杯等。

碳纳米管

图:LED灯罩(图片来源于中广核俊尔)


2.电子电器领域:

电池外壳、线圈骨架、电动工具外壳、继电器管或托盘、线路板/电子设备封装、电阻器或转换器等等。

碳纳米管
电池外壳

碳纳米管
马达线圈骨架、电动工具外壳


3.加热/冷却/制冷:

化工生产中的热交换器、导热壳体及加热器/供热设备、轴承和电机外壳,太阳能热水器,蓄电池冷却器,散热器(暖气片),导热管等。


八、导热塑料的市场?

表1:导热塑料市场容量现状及预测(百万美元)


LED照明

智能手机和平板市场

太阳能及电动车电源模组

其他

2013

1500

100

28

175

2020

3800

300

170

530


表2:导热塑料市场容量现状及预测(百万美元)


碳纳米管



碳纳米管

图:导热塑料应用于照明领域(图片来源于深圳华力兴)


九、谁在生产导热塑料?

近两年受大功率LED照明技术的飞速发展及灯具散热需求带动,国内外许多塑料公司积极加强LED灯具用导热塑料产品的开发。

国外方面,主要的代表性公司有荷兰DSM、美国Cool Polymers、意大利Laticonter、日本Kaneka、Sabic等。国内方面也有众多公司积极介入,主要有深圳卓尤、上海合复、东莞兆科、佛山宝利玛以及国邦睿源等公司。

碳纳米管

总体来说,国外公司研发历史长,技术处于较高水平,产品成型性能好、并且能够提供较为完善的材料设计、原型设计、热学模拟等全 方位的服务,但材料价格相对昂贵。国内公司近两三年才开始介入,在性能上与国外公司的尚有一定差距,但是国内企业占据地缘优势、服务响应优势和价格优势,未来发挥空间巨大。

碳纳米管



十、怎么选择导热填料?


常见导热填料优缺点分析:


氮化铝ALN

80-320

导热系数高

价格昂贵,每公斤几千元以上。容易受潮水解,水解产生氢氧化铝中断导热通路,因此制品热导率偏低。

一般

氮化硼BN

60-125

导热系数高

价格昂贵,每公斤上千元。不能单纯的大量填充,大量填充后体系粘度上升,严重影响产品的应用领域。

一般

碳化硅SIC

83.6-220

导热系数高

合成过程中产生的碳及石墨难以去除,到账产品纯度低,电导率高,不适合电子用胶,密度大,在有机硅中易沉淀分层,应用产品应用。环氧胶中较为适用。

一般

氧化镁MgO

36

导热系数一般

在空气中易吸潮,增粘性较强,不能大量填充;耐酸性差,很容易被腐蚀,限制了酸性环境下的应用。

一般

氧化铝Al2O3

38

导热系数高,球形填充量大

价格适中,每公斤不超过200元。球形或者类球形填充量大,可添加到600-800份,所得制品导热率高。


氧化锌ZnO

26

导热系数偏低

粒径和均匀性很好,适合生产导热硅脂;导热性偏低,不适合生产高导热产品。质轻,不适合生产高导热产品。密度较高,可能产生分层。

较好


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