CN101429422B - 一种提高导热硅脂导热性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是方法步骤为：碳纳米管的预处理、碳纳米管的酸化处理、碳纳米管的酯化处理、与导热硅脂及填料混合和除去溶剂。本发明的优点是：制备工艺简单，在导热硅脂中添加碳纳米管，并对添加的碳纳米管采用经过球磨和气流预处理、酸化处理和酯化处理，可以有效提高碳纳米管的纯度和降低碳纳米管表面能和缠绕程度，使碳纳米管呈现出较为有序的排列，添加到导热硅脂中能够均匀分散，形成一个良好的导热网络来有效地提高导热硅脂的导热性能。

Description

一种提高导热硅脂导热性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高导热硅脂导热性能的方法。

背景技术

随着计算机CPU集成电路的集成化程度和运算速度的提高，CPU芯片的发热量越来越大，其散热问题已经成为技术瓶颈之一。LED是一种新型的注入电致发光器件，其优越性在于节能。目前，高亮度照明用LED在实验室中已经超过1001m/W水平，501m/W的大功率LED已进入了商品化。单个LED器件的功率已从最初的毫瓦级跃至现在的数十瓦级。由于单个LED器件的尺寸很小，仅为1mm×1mm～2.5mm×2.5mm，这对大于1W级的大功率LED来说，其功率密度很大。LED器件的电光转换效率约为15％，剩余的85％电能转化为热能。当多个LED密集排列组成照明系统时.其电能转化为热能更加严重。与传统的照明器件不同，用于照明的LED的发光光谱中不包含红外光部分，其热量不能依靠红外辐射释放，只能通过散热片散热。因此，解决大功率LED的散热问题已成为其广泛应用的先决条件。

对于CPU芯片或大功率LED照明系统等发热源的散热，常用的方法是在发热源上安装散热片。为了提高发热源与散热片两者之间的面接触效果，需要在发热源与散热片之间填充导热效果优异的导热介质，以增加发热源与散热片的接触面积，减少接触热阻，达到提高散热效果的目的。

导热硅脂是最常用的导热介质。

碳纳米管(Cabon Nanotubes，简称CNTs)是1991年才被发现的一种新型碳结构，是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的管体。碳纳米管分为单壁碳纳米管(Single-walled Nanotubes，SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walledNanotubes，MWNTs)。由于直径很小、长径比大，碳纳米管被视为准一维纳米材料。已经证实碳纳米管除了具有奇特的电学性能和超强的力学性能以外，还具有极佳的导热性能。实验结果表明，单壁碳纳米管的理论导热系数高达6000W/wK，而金属铜和碳纤维的理论导热系数分别为400W/wK和1960W/wK。因此，在导热硅脂中添加适量的碳纳米管，可以有效地提高其导热性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高导热硅脂导热性能的方法，该方法以碳纳米管作为导热添加剂，在导热硅脂中均匀分散后，形成一个良好的导热网络来有效地提高导热硅脂的导热性能。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：

(1)碳纳米管的预处理：取原生态碳纳米管放入球磨机中，在200-500rpm的转速下，球磨1-5h，将球磨后的碳纳米管放入气流磨中，用高速气流处理，得到预处理碳纳米管，收集备用；

(2)碳纳米管的酸化处理：预处理碳纳米管和质量浓度为98％的浓硫酸、68％的浓硝酸按照质量：体积＝1.0g:20-200ml:10-100ml的比例进行混合，混合物超声0.5-2h后，50-120℃下搅拌冷凝回流2-5h，冷却，大量去离子水稀释，微孔滤膜减压抽滤洗涤至中性，产物在100℃下真空干燥4h，粉碎，得到酸化处理碳纳米管；

(3)碳纳米管的酯化处理：酸化处理碳纳米管、0.1-0.5mol/L的NaOH按照1g:600-800ml的比例在容器中混合，超声震荡0.5h，使酸化处理碳纳米管表面上的羧基转换成钠盐形式，在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质5-20ml及相转移催化剂1-4ml，超声分散1-3h，80℃下回流加热搅拌1-3h，静置冷却，再加入99.5％的氯仿35-50ml溶解沉淀，用0.28μm滤膜进行抽滤，回收滤渣，滤液中加入99.5％的无水乙醇10-15ml，析出黑色沉淀，100℃下真空烘箱中干燥2-5h，粉碎，研磨后得到酯化处理碳纳米管；

(4)与导热硅脂及填料混合：经酯化处理得到的碳纳米管、导热硅脂、填料按照质量比为0.1～3.0:92.0～99.8：1.0～5.0比例混合，再加入有机溶剂10～60g，无水乙醇10-50g，使固体含量在40％-60％范围内，超声震荡，低速搅拌直到浆料混合均匀；

(5)除去溶剂：所得的浆料放入真空干燥箱中，在100℃下干燥处理3-6h，直至溶剂完全挥发，即制得添加碳纳米管后的导热硅脂。

在本发明中，所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为10-50nm，管长为0.5-100μm。

在本发明中，所述的酯化反应所接枝的物质为溴代正丁烷、2-氨基-1-丁醇、氨基吡啶、乙二胺十八烷基胺、二甲基甲酰胺、长链烷基中的至少一种。

在本发明中，所述的相转移催化剂为四丁基溴化胺、三辛基甲基氯化铵、二乙基乙醇基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、聚乙二醇、聚醚中、4-二甲氨基吡啶、硅烷基季铵盐中的至少一种。

在本发明中，所述的导热硅脂为AS-610B、SC-3101、ATI-1、RTVS-61普通导热硅脂中的至少一种。

在本发明中，所述的填料为氧化铝、氮化硼、碳化硅、铝粉、铜粉、纳米银、金属氧化物中的至少一种。

在本发明中，所述的有机溶剂为氯仿、苯、甲苯、二甲醚、甲乙酮、煤油、二氯甲烷、四氯化碳中的至少一种。

本发明的优点是：制备工艺简单，在导热硅脂中添加碳纳米管，并对添加的碳纳米管采用球磨和气流磨预处理、酸化处理和酯化处理，由此可以有效地提高碳纳米管的纯度和降低碳纳米管表面能和缠绕程度，使碳纳米管呈现出较为有序的排列，添加到导热硅脂中能够均匀分散，形成一个良好的导热网络来有效地提高导热硅脂的导热性能。

具体实施方式

实施例一：

(1)将碳纳米管放入球磨机中，在200rpm的转速下，球磨3h，然后放入气流磨中用气流处理，得到预处理碳纳米管，收集备用；

(2)将经步骤(1)预处理碳纳米管和质量浓度为98％的浓硫酸、68％的浓硝酸按照质量:体积＝1.0g:160ml:20ml的比例进行混合，混合物超声1h后，100℃下搅拌冷凝回流2h，冷却，去离子水稀释，微孔滤膜减压抽滤，洗涤至中性，产物在100℃下真空干燥4h，粉碎，得到酸化处理碳纳米管；

(3)将经步骤(2)酸化处理碳纳米管、0.1mol/L的NaOH按照1g:800ml的比例在容器中混合，超声震荡0.5h，得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液，在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质溴代正丁烷5ml及相转移催化剂四丁基溴化胺1.0ml，超声分散3h，80℃下回流加热搅拌2h，静置冷却；再加入质量浓度99.5％的氯仿35ml溶解沉淀，用用0.28μm滤膜抽滤，回收滤渣，滤液中加入质量浓度99.5％的无水乙醇10ml，析出黑色沉淀，100℃下真空烘箱中干燥4h，粉碎，研磨，得到酯化处理碳纳米管；

(4)将步骤(3)得到的碳纳米管、导热硅脂AS-610B、氧化铝按照质量比为2.0:97.0:1.0比例混合，再加入氯仿溶液30g，无水乙醇10g，测得固体含量为55％；超声震荡1h，低速搅拌直到浆料混合均匀；

(5)将步骤(4)所得的浆料放入真空干燥箱中，在100℃下干燥处理3h，直至溶剂完全挥发，制得添加碳纳米管后的导热硅脂。测试样品1的厚度为1.8mm。

用导热系数测试仪DRL-∏分别测试出纯导热硅脂的导热系数和样品1的导热系数(见表1)，测试温度为室温。

实施例二：

(1)将碳纳米管放入球磨机中，在350rpm的转速下，球磨4h，然后放入气流磨中用气流处理，得到预处理碳纳米管，收集备用；

(2)将经步骤(1)预处理碳纳米管和质量浓度为98％的浓硫酸、68％的浓硝酸按照质量:体积＝1.0g:20ml:100ml的比例进行混合，混合物超声2h后，80℃下搅拌冷凝回流2h，冷却，去离子水稀释，微孔滤膜减压抽滤，洗涤至中性，产物在100℃下真空干燥4h，粉碎，得到酸化处理碳纳米管；

(3)将经步骤(2)酸化处理碳纳米管、0.3mol/L的NaOH按照1g:600ml的比例在容器中混合，超声震荡0.5h，得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液，在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质溴代正丁烷10ml及相转移催化剂四丁基溴化胺2.5ml，超声分散2h，80℃下回流加热搅拌2h，静置冷却；再加入质量浓度99.5％的氯仿45ml溶解沉淀，用用0.28μm滤膜抽滤，回收滤渣，滤液中加入质量浓度99.5％的无水乙醇15ml，析出黑色沉淀，100℃下真空烘箱中干燥4h，粉碎，研磨，得到酯化处理碳纳米管；

(4)将步骤(3)得到的碳纳米管、导热硅脂AS-610B、铜粉按照质量比为2.0:95.5.0:2.5比例混合，再加入氯仿溶液40g，无水乙醇25g，测得固体含量为50％；超声震荡1h，低速搅拌直到浆料混合均匀；

(5)将步骤(4)所得的浆料放入真空干燥箱中，在100℃下干燥处理3.5h，直至溶剂完全挥发，制得添加碳纳米管后的导热硅脂。测试样品2的厚度为1.8mm。

用导热系数测试仪DRL-∏分别测试出纯导热硅脂的导热系数和样品2的导热系数(见表1)，测试温度为室温。

实施例三：

(1)将碳纳米管放入球磨机中，在500rpm的转速下，球磨5h，然后放入气流磨中用气流处理，得到预处理碳纳米管，收集备用；

(2)将经步骤(1)预处理碳纳米管和质量浓度为98％的浓硫酸、68％的浓硝酸按照质量:体积＝1.0g:200ml:100ml的比例进行混合，混合物超声0.5h后，120℃下搅拌冷凝回流2h，冷却，去离子水稀释，微孔滤膜减压抽滤，洗涤至中性，产物在100℃下真空干燥4h，粉碎，得到酸化处理碳纳米管；

(3)将经步骤(2)酸化处理碳纳米管、0.5mol/L的NaOH按照1g：680ml的比例在容器中混合，超声震荡0.5h，得到酸化处理碳纳米管表面的羧基转换成钠盐形式的悬浮液，在悬浮液中分别加入酯化反应接枝物质溴代正丁烷20ml及相转移催化剂四丁基溴化胺4.0ml，超声分散3h，80℃下回流加热搅拌2h，静置冷却；再加入质量浓度99.5％的氯仿50ml溶解沉淀，用用0.28μm滤膜抽滤，回收滤渣，滤液中加入质量浓度99.5％的无水乙醇15ml，析出黑色沉淀，100℃下真空烘箱中干燥4h，粉碎，研磨，得到酯化处理碳纳米管；

(4)将步骤(3)得到的碳纳米管、导热硅脂AS-610B、铝粉按照质量比为3.0:92.0.0:5.0比例混合，再加入氯仿溶液50g，无水乙醇35g，测得固体含量为45％；超声震荡1h，低速搅拌直到浆料混合均匀；

(5)将步骤(4)所得的浆料放入真空干燥箱中，在100℃下干燥处理4h，直至溶剂完全挥发，制得添加碳纳米管后的导热硅脂。测试样品3的厚度为1.8mm。

用导热系数测试仪DRL-∏分别测试出纯导热硅脂的导热系数和样品3的导热系数(见表1)，测试温度为室温。

    表1

 

样品	导热系数(W/mk)
		纯导热硅脂	0.385
实施例1	0.765
		实施例2	0.816
实施例3	0.886

Claims (6)

1.一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是方法步骤为：

(1)碳纳米管的预处理：取原生态碳纳米管放入球磨机中，在200-500rpm的转速下，球磨1-5h，将球磨后的碳纳米管放入气流磨中，用高速气流处理，得到预处理碳纳米管，收集备用；

(2)碳纳米管的酸化处理：预处理碳纳米管和质量浓度为98％的浓硫酸、68％的浓硝酸按照质量∶体积＝1.0g∶20-200ml∶10-100ml的比例进行混合，混合物超声0.5-2h后，50-120℃下搅拌冷凝回流2-5h，冷却，大量去离子水稀释，微孔滤膜减压抽滤洗涤至中性，产物在100℃下真空干燥4h，粉碎，得到酸化处理碳纳米管；

(3)碳纳米管的酯化处理：酸化处理碳纳米管、0.1-0.5mol/L的NaOH按照1g∶600-800ml的比例在容器中混合，超声震荡0.5h，使酸化处理碳纳米管表面上的羧基转换成钠盐形式，在悬浮液中分别加入溴代正丁烷5-20ml及相转移催化剂1-4ml，超声分散1-3h，80℃下回流加热搅拌1-3h，静置冷却，再加入99.5％的氯仿35-50ml溶解沉淀，用0.28μm滤膜进行抽滤，回收滤渣，滤液中加入99.5％的无水乙醇10-15ml，析出黑色沉淀，100℃下真空烘箱中干燥2-5h，粉碎，研磨后得到酯化处理碳纳米管；

(4)与导热硅脂及填料混合：经酯化处理得到的碳纳米管、导热硅脂、填料按照质量比为0.1～3.0∶92.0～99.8∶1.0～5.0比例混合，再加入有机溶剂10～60g，无水乙醇10-50g，使固体含量在40％-60％范围内，超声震荡，低速搅拌直到浆料混合均匀；

(5)除去溶剂：所得的浆料放入真空干燥箱中，在100℃下干燥处理3-6h，直至溶剂完全挥发，即制得添加碳纳米管后的导热硅脂。

2.根据权利要求书1所述的一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为10-50nm，管长为0.5-100μm。

3.根据权利要求书1所述的一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是所述的相转移催化剂为四丁基溴化胺、三辛基甲基氯化铵、二乙基乙醇基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、聚乙二醇、聚醚中、4-二甲氨基吡啶、硅烷基季铵盐中的至少一种。

4.根据权利要求书1所述的一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是所述的导热硅脂为AS-610B、SC-3101、ATI-1、RTVS-61普通导热硅脂中的至少一种。

5.根据权利要求书1所述的一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是所述的填料为氧化铝、铝粉、铜粉中的一种。

6.根据权利要求书1所述的一种提高导热硅脂导热性能的方法，其特征是所述的有机溶剂为氯仿、苯、甲苯、二甲醚、甲乙酮、煤油、二氯甲烷、四氯化碳中的至少一种。