一种聚氨酯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于有机-无机复合材料技术领域，具体涉及一种聚氨酯复合材料及其制备方法。

背景技术

随着LED和电子器件朝着大功率化、集成化、体积微型化的方向发展，涉及的功率器件发热量越来越大，因此人们要解决的首要问题就是散热。如果这些材料产生的热量若没能及时的散发出去，将会使器件工作的结温升高，器件的工作稳定性、使用寿命等受到严重影响。高分子基导热绝缘材料可应用于发热器件与散热器件之间，是热管理的关键部件之一。

聚氨酯在各个领域进行应用，在作为导热绝缘材料的基体这一方面，它具有的主要优点是弹性好、绝缘性能好、耐水性好。但它的本征导热系数较小，不利于热量的散发。并且聚氨酯热分解温度低，易燃，因此不适合在高温环境下使用。因此，将聚氨酯用于功率型导热绝缘材料，必须提高其导热效率、热稳定性、力学性能和阻燃性能，并且保持其优异的电绝缘性是大势所趋。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种导热效率高、热稳定性强、力学性能好、阻燃性能佳、电绝缘性能优异的聚氨酯复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种聚氨酯复合材料，主要由聚氨酯树脂基体、陶瓷导热填料、阻燃填料和玻璃纤维复合后形成复合材料，复合材料厚度≤5mm。

聚氨酯树脂基体为热塑性聚氨酯，热塑性聚氨酯固含为10%～60%；陶瓷导热填料为：氧化铝、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化锌、氧化镁的一种或几种，导热填料粒径为5～120μm；阻燃填料为聚磷酸铵、氢氧化铝、氢氧化镁、勃姆石、红磷、蒙脱土的一种或几种，阻燃填料粒径为1～80μm；玻璃纤维为连续玻璃纤维，并且编织成网状，网格大小为0.05～0.5mm，厚度≤0.5mm。

一种聚氨酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）制浆；（2）浸渍；（3）成型。

聚氨酯树脂基体采用水溶性聚氨酯或有机溶剂型聚氨酯乳液，加入导热填料、阻燃填料及适当的改性剂，用高速搅拌，转速为1000～10000r/min，搅拌时间为0.5～24h后制备成浆料。

制备的浆料中含有导热填料的质量分数为10%～80%、阻燃填料的质量分数为5%～60%；改性剂为硅烷偶联剂、十二烷基苯磺酸钠、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、聚乙二醇、聚乙烯醇、硬脂酸、硬脂酸盐、油酸等的一种或几种，改性剂添加量的的质量分数为0.5%～10%。

步骤（2）具体为：将编织成网状的玻璃纤维浸渍到上述浆料中，使浆料均匀、充分粘附到玻纤上，经干燥后得到薄膜。

步骤（2）中浸渍工序的温度为10～80℃、时间为0.5～24h；干燥方式为自然干燥、真空干燥或鼓风干燥的一种。

步骤（3）具体为：将多层薄膜叠放在一起，置于模具中，同时加热并施加压力，得到复合材料。

步骤（3）中的施加压力为0.1～50MPa，加热温度为100～200℃，成型时间为0.5～24h。

采用上述技术方案，研究表明，陶瓷导热填料，包括氧化铝、氮化硼、碳化硅等不仅可以增加高分子基体的导热性能，还能有效提高其热稳定性，在导热高分子复合材料中具有较好的应用；阻燃填料，包括氢氧化铝、氢氧化镁和聚磷酸铵等可以提升高分子的耐热和阻燃性能，防止高温导致火灾的发生；连续玻璃纤维编织后与高分子材料复合，可大大提高材料的力学性能和热稳定性。本发明将导热填料、阻燃填料、网状玻璃纤维等同时加入到聚氨酯基材中，得到了综合性能优异的聚氨酯复合材料，可应用于电子材料的热管理，起导热、散热、绝缘、阻燃、力学性能增强等作用。本发明可以灵活调整浆料配方，也可通过模具灵活调整材料的尺寸，得到系列产品。

本发明的技术特性为：1、根据功率型电子材料的工作特性，本发明的具有玻纤增强、高导热、阻燃的聚氨酯基复合材料，各组分结合紧密，可以良好发挥各种填料的功效。2、本发明聚氨酯基复合材料制备工艺流程短，成本低，具备规模化生产前景。

本发明的经济性为：随着电子工艺、汽车、航空航天等领域的快速发展，集成化、高功率的电子器件应用越来越多，其热管理显得尤其重要，因此导热绝缘材料具有巨大的市场前景。本发明复合材料综合性能好，制备工艺简单，成本低，便于规模化生产和实际应用。

具体实施方式

本发明的一种聚氨酯复合材料，主要由聚氨酯树脂基体、陶瓷导热填料、阻燃填料和玻璃纤维复合后形成复合材料，复合材料厚度≤5mm。

聚氨酯树脂基体为热塑性聚氨酯，热塑性聚氨酯固含为10%～60%；陶瓷导热填料为：氧化铝、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化锌、氧化镁的一种或几种，导热填料粒径为5～120μm；阻燃填料为聚磷酸铵、氢氧化铝、氢氧化镁、勃姆石、红磷、蒙脱土的一种或几种，阻燃填料粒径为1～80μm；玻璃纤维为连续玻璃纤维，并且编织成网状，网格大小为0.05～0.5mm，厚度≤0.5mm。

一种聚氨酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）制浆；（2）浸渍；（3）成型。

聚氨酯树脂基体采用水溶性聚氨酯或有机溶剂型聚氨酯乳液，加入导热填料、阻燃填料及适当的改性剂，用高速搅拌，转速为1000～10000r/min，搅拌时间为0.5～24h后制备成浆料。

制备的浆料中含有导热填料的质量分数为10%～80%、阻燃填料的质量分数为5%～60%；改性剂为硅烷偶联剂、十二烷基苯磺酸钠、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、聚乙二醇、聚乙烯醇、硬脂酸、硬脂酸盐、油酸等的一种或几种，改性剂添加量的的质量分数为0.5%～10%。

步骤（2）具体为：将编织成网状的玻璃纤维浸渍到上述浆料中，使浆料均匀、充分粘附到玻纤上，经干燥后得到薄膜。

步骤（2）中浸渍工序的温度为10～80℃、时间为0.5～24h；干燥方式为自然干燥、真空干燥或鼓风干燥的一种。

步骤（3）具体为：将多层薄膜叠放在一起，置于模具中，同时加热并施加压力，得到复合材料。

步骤（3）中的施加压力为0.1～50MPa，加热温度为100～200℃，成型时间为0.5～24h。

在实验室中进行了制备聚氨酯复合材料的实验，具体实施例如下：

取水性聚氨酯100份，聚氨酯固含30%，加入氮化硼40份、聚磷酸铵20份、氢氧化铝10份、硅烷偶联剂3份、聚乙二醇3份，搅拌共混2h，转速为4000r/min，得到粘稠的浆料。取编织好的玻纤网，浸渍到浆料中，水浴锅保温50℃，浸渍10h，取出后置于真空干燥箱中干燥，得到复合材料薄膜。将薄膜叠6层，铺到模具中压制，压力为0.2MPa,温度130℃，保压1h，得到平整的复合材料薄膜，薄膜厚度约2mm，经测试：导热率为1.5W/mK，抗拉强度比纯聚氨酯提升50%，初始热分解温度由180℃提高到210℃，阻燃达到V-0级。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。