導(dǎo)熱塑料組合物、擠出裝置和用于制備導(dǎo)熱塑料的方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求 2012 年 9 月 19 號提交的題為 "Thermally Conductive Plastic Composition, Extrusion Apparatus And Methods For Making Thermally Conductive Plastics"美國臨時專利申請第61/702, 787號和2013年3月14號提交的題為"Thermally Conductive Plastic Composition, Extrusion Apparatus And Methods For Making Thermally Conductive Plastics"美國專利申請第13/829, 225號的權(quán)益，在此它們各自通 過引用全文并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明提供導(dǎo)熱塑料組合物、擠出機(jī)螺桿構(gòu)型和用于擠出熱塑性組合物的方法。 本發(fā)明提供含氮化硼填充材料的組合物。所述導(dǎo)熱塑料組合物和由此形成的制品可在面內(nèi) (in-plane)和面間（through plane)的方向均顯示出優(yōu)異的熱導(dǎo)率。
【背景技術(shù)】
[0004] 多種電子和光電子設(shè)備的熱管理日益引起注意，由于在這樣的設(shè)備中面臨的嚴(yán)峻 挑戰(zhàn)。在個人手持電子設(shè)備中繼續(xù)存在縮小尺寸和增加功能的趨勢。功率密度和因此需要 消散的熱密度已顯著增加，這提出了在這些設(shè)備中提供良好熱管理的重大挑戰(zhàn)。相似地，在 光電子設(shè)備中，也叫做發(fā)光二極管（LEDs)中，功率消耗和流明輸出是不斷增加的。熱管理 問題也廣泛存在于其它應(yīng)用中，例如汽車中的電子元件，用于混合動力車的可充電電池系 統(tǒng)和功率逆變器等。不充分或無效的熱管理可對設(shè)備的性能和長期可靠性產(chǎn)生強(qiáng)而不利的 影響。
[0005] 目前基于LED的燈泡被用來取代較舊的燈泡，并被設(shè)計以適應(yīng)傳統(tǒng)的"Edison"套 接口。僅將LED燈泡裝配入Edison套接口加劇了所述熱管理挑戰(zhàn)，因為熱消散受限于自然 對流。因此LED燈泡需要良好設(shè)計的散熱片以有效且充分地消散余熱。無效的熱管理導(dǎo) 致較高的LEDs的運行溫度，這通過LED的結(jié)點溫度（Tj)指示。當(dāng)結(jié)點溫度從115°C增加 至135°C時，LED的壽命（定義為損失30%光輸出即達(dá)到B70所消耗的時間）可潛在地從 80, OOOh 下降至 20, 000h。
[0006] 基于與用于其他電子設(shè)備的散熱片的相似之處，鋁散熱片是LED應(yīng)用的自然選 擇。然而，鋁散熱片用于LED燈泡具有數(shù)個挑戰(zhàn)。一個挑戰(zhàn)是散熱片與Edison套接口的電 絕緣。在安裝過程中金屬散熱片和所述套接口間的任何電連通或泄漏可能是非常危險的。 另一個挑戰(zhàn)是提供具有復(fù)雜形狀的散熱片，因為壓鑄熱翅（heat fin)的形狀可能是困難的 且可能需要昂貴的二次機(jī)械加工操作。鋁散熱片也可能是相當(dāng)重的且可顯著增加燈泡的重 量，并因此增加燈泡的運輸成本。最后，鋁散熱片將需要最后的涂漆步驟以平滑表面光潔度 并賦予消費者需要的顏色。
[0007] 對于散熱片，塑料可為相對于鋁的一個有吸引力的替代選擇。塑料為電絕緣的，通 過注射成型更適合于復(fù)雜的散熱器結(jié)構(gòu)，重量輕，并可被自由著色以滿足美學(xué)或品牌需求。 塑料也提供集成數(shù)個部件的可能性，這可導(dǎo)致燈泡更簡單的整體裝配。然而，塑料具有非常 差的熱導(dǎo)率-通常只有約0. 2W/mK，這比通常的壓鑄鋁合金（約200W/mK)的熱導(dǎo)率低幾乎 兩個數(shù)量級。因此，塑料通常不足以滿足熱管理挑戰(zhàn)。
[0008] 通常將填料添加至塑料中以形成獨特的復(fù)合材料。例如，添加增強(qiáng)材料例如玻璃 纖維以改善塑料的機(jī)械性能。相似地，近來將石墨、炭黑或其它碳形式，甚至包括碳納米管 添加至塑料中以形成導(dǎo)電的塑料基材料。有時也使用石墨和金屬粉末以增強(qiáng)熱導(dǎo)率，但這 通常也導(dǎo)致增加的電導(dǎo)率，因為這些性質(zhì)通常是伴隨的。然而，一些陶瓷材料，例如二氧化 硅、氧化鋁、氧化鋅、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼（六方形或立方形式）等具有與塑料形成導(dǎo)熱 的但電絕緣的構(gòu)型的機(jī)會，因為它們是良好的熱導(dǎo)體和電絕緣體。
[0009] 雖然已提出氮化硼塑料復(fù)合物，氮化硼/塑料復(fù)合物具有數(shù)個缺點。氮化硼是相 對昂貴的材料，可比用鋁合金復(fù)合的且與鋁合金相比的塑料樹脂的費用高5-40倍。從性能 的角度，氮化硼/塑料復(fù)合物的面內(nèi)熱導(dǎo)率僅為約2-10W/mK即使在高的氮化硼負(fù)載下，例 如，在25-60wt. % (15-45vol%)以上。氮化硼也是非常惰性的且不易被樹脂潤濕。這導(dǎo) 致有瑕疵的界面和填料與基體之間大的熱阻，有效降低復(fù)合物的熱導(dǎo)率因此導(dǎo)致實現(xiàn)期望 的熱導(dǎo)率所需的較高的BN負(fù)載。較高的填料負(fù)載使這些復(fù)合物的成本顯著上升，使其在熱 管理應(yīng)用中具有較小的成本競爭性。所述填料和樹脂間差的界面也導(dǎo)致復(fù)合物差的物理性 質(zhì)。因此，解決潤濕問題以實現(xiàn)高的熱導(dǎo)率和最佳的物理性質(zhì)勢在必行。
[0010] 然而，重要的是要注意即使導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率不與鋁金屬一樣高，但對于在LED 燈泡和其他對流限制的應(yīng)用中的熱管理應(yīng)用是足夠的。氮化硼/塑料復(fù)合物固有的各向異 性也可為可限制氮化硼/塑料復(fù)合物在一些其中通過平面導(dǎo)熱是應(yīng)用的關(guān)鍵的應(yīng)用中的 適用性的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 在一個方面，本發(fā)明提供導(dǎo)熱塑料組合物。所述組合物包含聚合物基體和導(dǎo) 熱填料。在一個實施方案中，所述組合物具有約5W/mK或更高的面內(nèi)熱導(dǎo)率（in-plane thermal conductivity)。在一個實施方案中，所述組合物具有約lW/mK或更高的面間熱導(dǎo) 率（through-plane thermal conductivity)。在一個實施方案中，所述組合物具有約3. 5:1 或更低的面內(nèi)熱導(dǎo)率和面間熱導(dǎo)率的比率。
[0012] 在一個實施方案中，導(dǎo)熱填料是氮化硼。在一個實施方案中，所述氮化硼可選自薄 片（platelet)氮化硼、氮化硼團(tuán)聚體或它們的組合。在另一個實施方案中，采用填料的組 合物以提供具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率的組合物。在又一個實施方案中，組合物包含提供增加的熱 導(dǎo)率并允許導(dǎo)熱填料的濃度最小化的功能添加劑。
[0013] 在一個實施方案中，本發(fā)明提供一種包含氮化硼、金屬氧化物和硅烷的共混物的 填料組合物。在一個實施方案中，所述填料組合物是氮化硼、金屬氧化物、硅烷和玻璃纖維 的共混物。在一個實施方案中，所述金屬氧化物為氧化鋅、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化鋯或其 兩種或多種的組合。
[0014] 在一個方面，本發(fā)明提供含氮化硼、金屬氧化物和硅烷的共混物的填料組合物。
[0015] 在一個實施方案中，存在于所述填料組合物中的氮化硼的量為從約15wt %至約 75wt%，存在的金屬氧化物的量為從約5wt%至約80wt%，并且存在的硅烷的量為從約 0. lwt%至約6wt%。在一個實施方案中，存在于所述填料組合物中的氮化硼的量為從約 25wt%至約70wt%，存在的金屬氧化物的量為從約15wt%至約75wt%，并且存在的硅烷的 量為從約0. 5wt %至約5wt %。在一個實施方案中，存在于所述填料組合物中的氮化硼的量 為從約30wt%至約70wt%，存在的金屬氧化物的量為從約20wt%至約50wt%，并且存在的 硅烷的量為從約Iwt%至約3. 5wt%。
[0016] 在一個實施方案中，氮化硼選自氮化硼顆粒、氮化硼團(tuán)聚體或它們的混合物。在一 個實施方案中，氮化硼包含顆粒尺寸為〇. 3微米至約200微米的薄片。在一個實施方案中， 氮化硼包含平均粒度為從約0. 5微米至約500微米的氮化硼團(tuán)聚體。在一個實施方案中， 所述組合物可包含納米尺度的氮化硼材料，包括但不限于納米管或納米片。
[0017] 在一個實施方案中，所述金屬氧化物選自氧化鋅、氧化鎂、氧化鈹、二氧化鈦、氧化 鋯或其兩種或多種的組合。
[0018] 在一個實施方案中，所述硅烷選自烷基丙稀酰氧基（alkacryloxy)硅烷、乙烯基 硅烷、鹵代硅烷、疏基硅烷、硫代幾酸醋硅烷、封端的疏基硅烷或其兩種或多種的組合。在一 個實施方案中，所述硅烷選自3-辛?；虼?丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三（2-甲氧基-乙 氧基）硅烷、γ-甲基丙稀酰氧基丙基三甲氧基硅烷（gamma-methacryloxypropyltreimet hoxy silane)或其兩種或多種的組合。
[0019] 在一個實施方案中，所述填料組合物進(jìn)一步包含附加的填料成分，所述附加的填 料成分選自玻璃纖維，玻璃鱗片，粘土，剝落的粘土，碳酸鈣，滑石，云母，鈣硅石，粘土，剝落 的粘土，銀，氧化鋁，氮化鋁，金屬硫化物，e. b.，硫化鋅，石墨，鋁、銅、青銅或黃銅或其兩種 或多種的組合的金屬粉末或片，金屬、陶瓷、碳的形式（如銅、鋁、氧化鋅、二氧化鈦、碳、石 墨）的纖維或晶須，或其兩種或多種的組合。在一個實施方案中，所述填料組合物包含一種 或多種納米尺度的填料，如碳納米管、石墨烯、氮化硼納米管、氮化硼納米片、氧化鋅的納米 管，或其兩種或多種的組合。在一個實施方案中，附加的填料成分以約〇. Iwt %至約30wt % 的量存在。
[0020] 在一個實施方案中，所述填料組合物包含從約2wt %至約20wt %的量的玻璃纖維 或玻璃鱗片。
[0021] 在一個實施方案中，所述填料組合物具有在L*，a*，b*空間用D65光源和2度或 10度觀測儀測得的顏色，其中L*至少為85, a*在-1. 5至1. 5之間，并且b*值在-3. 0和 3.0之間。在一個實施方案中，填料的顏色是這樣：L*大于90, a*在-1.3和1.3之間，且 b*在-2. 5和2. 5之間。在一個實施方案中，填料的顏色是這樣：L*大于92, a*在-I. 0和 1.0之間，且b*在-2.0和2.0之間。
[0022] 在另一個方面，本發(fā)明提供含聚合物材料的導(dǎo)熱組合物，和分散在所述聚合物材 料中的導(dǎo)熱填料組合物，其中所述導(dǎo)熱填料組合物包含氮化硼、金屬氧化物和硅烷的共混 物，且所述導(dǎo)熱組合物具有約2W/mK或更高的面內(nèi)熱導(dǎo)率，約0. 9W/mK或更高的面間熱導(dǎo) 率，或二者兼有。
[0023] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有3. 5W/mK或更高的面內(nèi)熱導(dǎo)率。在一個 實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有5W/mK或更高的面內(nèi)熱導(dǎo)率。
[0024] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有所述組合物總重量的約58wt%或更少的 總導(dǎo)熱填料濃度。
[0025] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有所述組合物的約40體積％ (v/v)或更少 的總導(dǎo)熱填料含量。
[0026] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有所述組合物的約41wt. %或更少，所述組 合物的約37wt. %或更少，所述組合物的約3Iwt. %或更少，所述組合物的約25wt. %或更 少，甚至所述組合物的約23wt. %或更少的氮化硼濃度。
[0027] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有所述全部組合物的約45體積％或更少 的總填料體積分?jǐn)?shù)。
[0028] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有至少10W/mK的面內(nèi)熱導(dǎo)率。
[0029] 在一個實施方案中，所述導(dǎo)熱組合物具有17J/m或更高，20J/m或更高，25J/m或更 高，30J/m或更高，甚至35J/m或更高的Izod缺口沖擊值。
[