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          导热塑料调研报告

          导热塑料调研报告
          导热塑料是以 PP、ABS、PC、PA、PPA、PBT、LCP、PPS、PEI、P EEK 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。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,最高可达 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]。 导热塑料的优点: 1、在使用过程中可实现均匀散热,?#34892;?#36991;免了灼热点,可减少零部 件因局部或全部产生高温而造成的变形, 可调整导热塑料的各项物理 性能,如可提高机械性能,增加强度和硬挺度;可根据需要调整其导 电性能,制成绝缘型、导电型或抗静电型导热塑料; 2、导热塑料的重量轻,比铝材轻 50%左右,可减少对成品装置的震 动,设备的稳定性提高; 3、有相当宽广的选择范围,可在 PP、ABS、PC、PA、PPA、PBT、LC P、PPS、PEI、PEEK 等多种基础树脂甚至是弹性体中选择,根据产品

          需要选择相关塑料的物性,也可选择成本相对低廉的塑料基材,降低 产品成本; 4、导热塑料的热膨胀系数和成型收缩率低,可适应对尺寸稳定要求 较高的产品; 5、加工成型非常方便,可使用普通注塑成型设备象热塑性塑料一样 进行简单加工,与普通塑料的加工工艺相同,可大批量快速成型,无 须二次加工,大大缩短产品的成型周期; 6、工作温度低,耐温度高,可提高组件和设备的使用寿命; 7、成型加工方便,可制成比较复杂的形状,从而提高产品的设计自 由度和产品附加值; 8、应用广泛。有多种基材可选择,可根据需要调整相关物性,故导 热塑料的应用相当广泛。 技术特征 提高塑料导热性的途径主要有两种: 第一改变高分子结构; 第二, 通过填充高导热无机物,制备无机物/聚合物复合材料。现今导热塑 料基?#38745;?#29992;第二种方法。导热塑料按树脂基体分为热塑性及热固性; 按填充粒子类型可分为金属填充、 金属氧化物填充、 金属氮化物填充、 无机非金属填充及纤维填充;按绝?#26723;?#24615;能分为绝缘性和非绝缘型。 由于塑料为绝缘体, 因此绝缘性和非绝缘性导热塑料主要是由填料的 种类所决定,非绝缘性导热材料的填料主要是:金属粉、石墨、炭黑 及碳纤维等,这类材料兼具导热性的同时又有利于抗静电、电磁屏蔽 等;而绝缘性材料填料主要包括:金属氧化物、金属氮化物、碳化物

          等。 可用作导热粒子的无机填充材料主要有以下?#38050;鄭?(1) 金属粉末?#21644;?#31881;、铝粉、金粉、银粉。 (2) 金属氧化物:氧化铝、氧化铋、氧化铍、氧化镁、氧化锌。 (3) 金属氮化物:氮化铝、氮化铋。 (4) 无机非金属:石墨、碳化硅。 有资料表明导热塑料现在主要使用填充材料为铝粉和石墨, 同时 亦有研究采用多种填料复配使用。其中石墨的导热率为 209W/MK(100℃),与金属的导热率最为接近,所以用石墨来改善高 分子导热率的研究最多。铝粉与石墨均为导电材料,而非导电材料所 用填料主要有氧化铝、氮化铝及氧化镁等。有研究说,一般石墨填充 量 30%-40%的产品用途较广。 填充效果的好坏主要取决于以下因素: (1) 聚合物的种类和类型 (2) 填料的形?#30784;?#31890;径及尺寸分布 (3) 填料与基体的界面结合特性及两相的相互作用。 目前市场是主要的导热塑料所采用的基材有: PS、 PPS、 PPA、 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。 导热塑料生产过程中需加入?#21058;?#21058;以改善材料性能, 所采用的基 本为常规?#21058;?#21058;,如:硅烷类?#21058;?#21058;、钛酸酯类?#21058;?#21058;及?#20102;?#38150;类偶 联剂。

          导热塑料生产工艺与高填充改性料生产工艺类似, 首先是?#21058;?#21058; 对导热剂的表面处理,而后树脂、表面改性的导热剂及加工助剂经双 螺杆挤出造粒。又有通过密炼机混合,而后层压成板材生产工艺。 针对 lED 灯行业,一典型技术指标[用于 Led 的塑料散热器]: 热变形温度 180℃(3.2mm) 表面电阻 阻燃 1012Ω V0 (1.3mm) 导热系数 击穿电压 灼热丝 2.9W/MK 4000V 750℃ (1.3mm)

          有文章指出,片材在横向上的合适导热系数为:机械应用方面 1.3W/MK-2W/MK; 电子领域的应用为 2W/MK-4W/MK[山东大学硕士论文]。 专利及文献 从文献及专利上看,在这方面做研究开发的部门较少,主要有华 南理工大学、 山东大学以及一些高校与企业联合研究的在建筑及冷却 系统中导热塑料的使用效果的评价研究(低成本的 PP、PVC 等) ,可 能是限于成本压力而所使用的填料也主要是低成本的氧化镁、 石墨之 类。同时,导热填料的整体添加量也较高,如华南理工大学添加高目 数 MgO 制备 PPS 导热塑料,氧化镁添加量达 80%才能达到 3.1W/MK 的热导率; 有相关专利 (200810025883) 中添加 70%的氧化镁的 PPS, 才能达到 1.6 左右的导热率;华源集团与同济大学开发导热 PP,石墨 添加量达 50%时,热导率达到 3.9W/MK。同时将热导率为 1.69W/MK 的导热 PP 分别用到暖气片、 换热器、 蛇形盘管中, 具有 “良好效果” 。 金陵石化添加石墨开发导热 PP,整体导热率数据很高,30%石墨添加 量达到 21.45W/MK(可能测试方法不一样)。 山东大学硕士论文, 在 PC、

          PC/ABS 及 ABS 中分别添加 30-40%的 AL2O3、 BiO/AL2O3、 SiC、 SiC/AL2O3, 其中在 PC/ABS 中添加 30% BiO 和 SiC 导热率分别达到 1.226 及 1.099, 其他填料导热率均小于 1。 达到要求的导热率,如此高的填充量下,其?#23548;?#20351;用效果有待评 价验证。 使用量 现今导热塑料使用量不大。从 LED 行业上看,主要有两方面的原 因:一是价格昂贵,一般导热塑料的价格在 20 美元/Kg,可能更高, 与现在使用的铝制散热材料相比成本较高。二是,与传统的散热材料 相比,导热塑料是新材料,很多厂?#19994;?#24515;使用风险,不愿采用。 应用领域 在各行各业的市场上,很多地方都需要散热材料。同时,塑料材 料几乎渗透了所有的行业和领域, 导热塑料的应用也可以覆盖这些领 域。即,应用于要求热传递用途,以及对塑料的其他性能,加工性能 或成本方面有要求的用途。这些领域包括电子电器、汽车、加热/冷 却/制冷、照明、医药、食品以及体育用品。 照明领域: 导热塑料最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, 虽然 LED 节能灯所消耗的热量要比普通光源 小得多,但因为 LED 节能灯结构紧凑、功能强大,温度控制?#21248;?#26159; 一个重要的问题。从网站及其方面了解,导热塑料在 LED 行业用量很

          大,但价格很高。一般 5W/MK 的导热塑料,?#25239;?#26020;价格基本在 20 美元[百度]。数据分析表明,一般 5mm 以下的制品,导热率 5W/MK 与 200W/MK 对产品性能影响不大[DSM 导热塑料宣传册]。但铝一直以来都是作为 散热系统的材料,塑料作为散热材料才刚刚起步,目前市场上也只有 飞利浦公司(所用料为 DSM)推出了产品,所以很多厂家目前因担 心风险,因而不太愿意尝试开模。 针对 LED 行业中不同的应用 coolpolymer 所推产品更为详细,应 用面更广[coolpolymer 官方网站]。针对封装材料(die level encapsulation) 提供低热膨胀系数的 LCP 基的 D5506,导热率为 10W/MK。针对背板 结构(board level construction)提供 PPS 基的 D5108,导热率为 10W/MK。针对外壳材料(LED enclosures)提供 PPS 基 E5101 及 PPA 基 E3603,导热率均为 20W/MK。针对其中 LED 中所用的导热垫片 (sealing gaskets)提供 TPE 基的 D8101,导热率为 3W/MK。除上 述推荐牌号外,coolpolymer 提供其他两款 PC 基 E4501 及 E4505,导 热率为 4W/MK,LED ?#21697;?#20809;片/发热片(Reflectors) 。 除 coolpolymer 外,DSM 公司也推出了相应的以 PA46 为基的专 用料,有三个牌号的产品(阻燃) :TC153、TC154 及 TC551。导热率 分别为 8.0 W/MK,1.1W/MK,14W/MK。其中飞利浦公司应用 DSM 导热塑料生产出了 LED 灯。 立达信光电选择 SABIC 公司新款白色 LNP* Konduit*热传导复合 材料作为制造其两种 LED 灯泡散热片的材料。

          电子电器领域: 分析 Coolpolymer 官方网站(http://coolpolymers.com/materialsolutions.asp) ,导热 塑料在电子电器领域的应用有: 包括线路板/电子设备封装(D5112) ; 片状散热片/散热片(E5101、E2)垫片(D8102) 电机芯体、线圈骨架(D5110、D5506) 基板、电子封装板、印刷线路板、LED 线路板(D5108) 功能性散热扇/散热片 (E5101、 E2、E3603) 及其所用垫片 (D8102) 。 散热垫片(D8102、D8104、E8103) 继电器管或托盘(E1201、 E1202) 电阻器或转换器(D5502、D5110) 温度传感器(D5112、D3608、D5112、D8102) 抗静电(E5107) 绝缘传热板(D5108、D5506) 电磁屏蔽板(E4505) 加热/冷却/制冷 化工生产中的热?#25442;?#22120;、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。 生产商[阿里巴巴及 IDE] (1)美国 coolpolymer Coolpolymer 产品线比较丰富依据电性能不同分为两个系?#26657;?#20849;

          26 款的产品:具有电传导性的 E 系列产品以及绝缘性的 D 系?#23567;?br />
          E 系列(导热导电) 牌号 E2 基材 LCP 阻燃性 V0 导热系数 20 W/MK 14 W/MK 4 W/MK 4 W/MK 3.6 W/MK 10 W/MK 20 W/MK 6 W/MK 20 W/MK 1.4 W/MK 1.4 W/MK 5 W/MK

          D 系?#26657;?#23548;热绝缘) 牌号 基材 阻燃性 导热系数 2.3 W/MK 1.46 W/MK 10 W/MK 5 W/MK 1.6 W/MK 10 W/MK 2 W/MK 6 W/MK 3 W/MK 1.31 W/MK

          D4302 COPE / D5502 LCP D5506 LCP D1202 PP D3608 PPA D5108 PPS D5110 PPS D5112 PPS D8102 TPE D8104 TPE V0 V0 / V0 V0 V0 / / V0

          E3607 PA66/6 V0 E4501 PC E4505 PC E4507 PC E1201 PP E3603 PPA E3605 PA46 E5101 PPA E5107 PPS E5109 PPS E8103 TPE / V0 V0 / / / V0 / / /

          (2)德国 LUVOCOM
          LUVOCOM 1301-7804 LUVOCOM 1301-8153 LUVOCOM 1301-7769 LUVOCOM LUVOCOM 6-8139 3-8097 PPS PPS PPS PA12 PA6 6.0 W/MK 15 W/MK 3.5W/MK 3.0W/MK 3.5W/MK 玻纤增强阻燃 非阻燃 玻纤增强非阻燃 玻纤增强非阻燃 玻纤增强非阻燃

          (3)?#31243;?SABIC SABIC 公司推出的导热塑料产品,商品名为 Konduit,所用基材有 PP、PA612、PA6、PA66 及 PPS,有以下九款产品:
          Konduit ITF2B Konduit MT00E PA612 PP 1.1 W/MK 1.1 W/MK 非阻燃玻纤增强 非阻燃未增强

          Konduit MT00EL Konduit OTF2AXXP Konduit OTF2B Konduit PTF2BXXX Konduit PX08321 Konduit PX08322 Konduit RTF2B

          PP PPS PPS PA6 PA6 PA6 PA66

          1.1 W/MK 2.2 W/MK 1.1 W/MK 1.1 W/MK 2.6-10 W/MK 2.2W/MK 1.2W/MK

          非阻燃未增强(低萃取物) 阻燃碳纤玻纤增强 玻纤阻燃增强(线性) 玻纤增强 非阻燃未增强 非增强阻燃 增强不阻燃

          (4)荷兰 DSM DSM 公?#23616;?#35201;推出的是 PA46 为基的 LED 专用料,有三个牌号的 产品(阻燃) :TC153、TC154 及 TC551。导热率分别为 8.0 W/MK, 1.1W/MK,14W/MK。

          相关产品物性可参看附加资料相关产品物性表。


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