CN103194067A - 一种超低热阻导热硅脂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低热阻导热硅脂，由下述重量配比的原料制成：聚二甲基硅氧烷100份，聚苯基甲基硅氧烷10－40份，氧化铝1000－2600份，氧化锌20－60份，偶联剂1－10份。本发明还提供上述超低热阻导热硅脂的一种制备方法。本发明的导热硅脂具有以下优点：具有高导热系数和超低接触热阻，其接触热阻小于0.06K·cm2/W（压力40psi）；室温贮存稳定，不渗油；耐高温性能良好，在高温下长期使用而不变干；电绝缘性能和介电性能良好。

Description

一种超低热阻导热硅脂及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子物质的组合物，具体涉及一种超低热阻导热硅脂及其制备方法。

背景技术

在电子元件的应用中，对于一些功率较大的电子元件（如CPU、大功率LED，大功率晶体管等），通常利用与电子元件相接触的散热器，使电子元件的热量更快地散去，以降低电子元件的温度。由于电子元件与散热器之间的交界面微观表面不平整，因而电子元件与散热器的交界面之间存在缝隙，该缝隙中存在空气，而空气的导热系数很低（一般为0.025W/（m·K）），这将会影响电子元件的整体散热效果。针对上述问题，通常的解决办法是在电子元件与散热器的交界面之间涂抹导热硅脂，将交界面之间的空气赶出，从而降低电子元件与散热器之间的接触热阻，使电子元件的热量能够通过散热器很好地散去，降低电子元件的温度，延长其使用寿命。

现有的导热硅脂总体来说，尚存在以下缺点：

（1）单纯追求高导热系数，而忽略了冷热面间的接触热阻，虽然导热系数达到5.0W /(m·K)，但其接触热阻却高达0.2－0.4 K·cm2/W（压力40psi），传热效果差；

（2） 使用金属填料以提高导热系数并降低热阻，但导致电绝缘性能、介电性能和耐候性较差；

（3） 耐渗油性差，使用过程中硅油容易渗出，污染其他部件；

（4） 耐热性能差，不能在高温下长期使用，在使用过程容易变干。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超低热阻导热硅脂以及这种导热硅脂的制备方法，这种导热硅脂具有超低接触热阻特性，电绝缘性能和介电性能良好，室温贮存稳定，不渗油，且耐高温性能良好。采用的技术方案如下：

一种超低热阻导热硅脂，其特征在于由下述重量配比的原料制成：聚二甲基硅氧烷100份，聚苯基甲基硅氧烷10－40份，氧化铝1000－2600份，氧化锌20－60份，偶联剂1－10份。

上述聚二甲基硅氧烷为导热硅脂基础油。为了使导热硅脂具有更佳的耐热性能和耐渗油性，并更有利于填料填充，优选上述聚二甲基硅氧烷的粘度为10－2000mPa·S（在温度为25℃的条件下），更优选上述聚二甲基硅氧烷的粘度为50－500 mPa·S（在温度为25℃的条件下）。

聚苯基甲基硅氧烷有助于提高导热硅脂的耐热性，可使导热硅脂在高温下长期使用而不变干。优选上述聚苯基甲基硅氧烷的粘度为50－500 mPa·S（在温度为25℃的条件下）。

上述氧化铝作为导热填料，既具有良好的导热性，又具有良好的绝缘性。

优选上述氧化铝是球形氧化铝，球形氧化铝具有较高的导热系数，且增稠作用不明显，更有利于填料填充。

更优选上述氧化铝由下述重量配比的四种不同粒径的球形氧化铝组成：第一种球形氧化铝750－2300份，其中位粒径D50为5－6μm（微米），且最大粒径不超过20μm；第二种球形氧化铝150－350份，其中位粒径D50为2－3μm，且最大粒径不超过12μm；第三种球形氧化铝20－80份，其中位粒径D50为0.5－1μm，且最大粒径不超过6μm；第四种球形氧化铝10－50份，其中位粒径D50为0.05－0.2μm，且最大粒径不超过1μm。通过不同粒径的球形氧化铝进行合理搭配，可最大限度地减少球形氧化铝颗粒之间的空洞的存在，有效降低导热硅脂的粘度，并提高氧化铝的填充量，降低热阻。

优选上述氧化锌是纳米氧化锌，其中位粒径D50为100－300nm（纳米），且最大粒径不超过1000nm。纳米氧化锌除了可作为填料，填补氧化铝颗粒之间的细小空洞外，还可提高导热硅脂的触变性和耐渗油性。

优选上述偶联剂是γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和十二烷基三乙氧基硅烷中的一种或两者的组合。偶联剂可提高氧化铝、氧化锌等填料与聚二甲基硅氧烷的相容性，降低导热硅脂的粘度，提高导热硅脂的耐渗油性。

本发明还提供上述超低热阻导热硅脂的一种制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

（1）按重量计，取100份聚二甲基硅氧烷、10－40份聚苯基甲基硅氧烷、1000－2600份氧化铝、20－60份氧化锌和1－10份偶联剂，加入到带加热夹套的真空捏合机中，在20－30℃下搅拌均匀（优选搅拌速度为40－60转/分钟，混合时间为20－30分钟）；然后向加热夹套中通入100－120℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（优选抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为50－500Pa），继续搅拌60－90分钟（优选搅拌速度为40－60转/分钟），得到半成品硅脂；

（2）对步骤（1）所得的半成品硅脂进行研磨；

优选采用三辊研磨机对步骤（1）所得的半成品硅脂研磨1－3遍；

优选经研磨后半成品硅脂的细度小于20μm；

（3）将经步骤（2）研磨的半成品硅脂加入到带加热夹套的真空捏合机中，然后向加热夹套中通入60－90℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（优选抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为50－100Pa），并搅拌20－30分钟（优选搅拌速度40－60转/分钟），得到超低热阻导热硅脂。

步骤（3）所用的真空捏合机与步骤（1）所用的真空捏合机可以为同一个真空捏合机，从真空捏合机中取出步骤（1）所得的半成品硅脂后，将真空捏合机清洗干净，备用。步骤（3）和步骤（1）也可各使用一个真空捏合机。

上述氧化铝、氧化锌在加入到真空捏合机中之前，预先进行干燥处理（优选干燥温度为110－120℃，干燥时间为80－100分钟），以除去其中的水分。

优选在将聚二甲基硅氧烷在加入到真空捏合机中之前，对聚二甲基硅氧烷进行下述预处理：将聚二甲基硅氧烷加入带有加热套及抽真空设备的双行星搅拌机中，然后向加热夹套中通入140－150℃的加热油，开动抽真空设备对双行星搅拌机内部抽真空（优选抽真空后双行星搅拌机内部的绝对压强为200－500Pa），并进行搅拌（优选搅拌速度为200－400转/分钟，搅拌时间为60－90分钟），搅拌结束后冷却至20－30℃。通过预处理，可除去聚二甲基硅氧烷中的小分子（如六甲基环三硅氧烷（D3）、八甲基环四硅氧烷（D4）、聚合度小于4的聚二甲基硅氧烷等），能够使导热硅脂具有更佳的耐热性能和耐渗油性，大大提高导热硅脂的使用稳定性。

本发明的导热硅脂具有以下优点：具有高导热系数和超低接触热阻，其接触热阻小于0.06 K·cm2/W（压力40psi），并且在高温下长期使用后仍能保持超低接触热阻；室温贮存稳定，不渗油；耐高温性能良好，在高温下长期使用而不变干；电绝缘性能和介电性能良好。

具体实施方式

实施例1

首先，进行原料预处理，包括：(a)对氧化铝、氧化锌进行干燥处理，干燥温度为120℃，干燥时间为100分钟，以除去其中的水分；(b) 将聚二甲基硅氧烷（其粘度500mPa·S（25℃））加入带有加热套及抽真空设备的双行星搅拌机中，然后向加热夹套中通入150℃的加热油，开动抽真空设备对双行星搅拌机内部抽真空（抽真空后双行星搅拌机内部的绝对压强为500Pa），并进行搅拌（搅拌速度为200转/分钟，搅拌时间为60分钟），搅拌结束后冷却至25℃。

然后，依次按下述步骤制备超低热阻导热硅脂：

（1）按重量计，取100份聚二甲基硅氧烷、20份聚苯基甲基硅氧烷（其粘度为50 mPa·S（25℃））、1000份氧化铝、20份氧化锌（其中位粒径D50为300nm，且最大粒径为1000nm）和1份偶联剂（均为十二烷基三乙氧基硅烷），加入到带加热夹套的真空捏合机中，在25℃下搅拌均匀（搅拌速度为60转/分钟，混合时间为30分钟）；然后向加热夹套中通入110℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为500Pa），继续搅拌60分钟（搅拌速度为60转/分钟），得到半成品硅脂；

上述1000份氧化铝均为球形氧化铝，由下述重量配比的四种不同粒径的球形氧化铝组成：第一种球形氧化铝780份，其中位粒径D50为5μm，且最大粒径为18μm；第二种球形氧化铝190份，其中位粒径D50为3μm，且最大粒径为12μm；第三种球形氧化铝20份，其中位粒径D50为0.5μm，且最大粒径为5μm；第四种球形氧化铝10份，其中位粒径D50为0.05μm，且最大粒径为0.5μm；

（2）采用三辊研磨机对步骤（1）所得的半成品硅脂研磨3遍；经研磨后半成品硅脂的细度小于20μm；

（3）将经步骤（2）研磨的半成品硅脂加入到带加热夹套的真空捏合机中，然后向加热夹套中通入60℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为100Pa），并搅拌30分钟（搅拌速度40转/分钟），得到超低热阻导热硅脂。

步骤（3）所用的真空捏合机与步骤（1）所用的真空捏合机为同一个真空捏合机，从真空捏合机中取出步骤（1）所得的半成品硅脂后，将真空捏合机清洗干净备用。步骤（3）和步骤（1）也可各使用一个真空捏合机。

按重量计，制得的超低热阻导热硅脂的组成为：聚二甲基硅氧烷100份、聚苯基甲基硅氧烷20份、氧化铝1000份、氧化锌20份、偶联剂1份。

实施例2

首先，进行原料预处理，包括：(a)对氧化铝、氧化锌进行干燥处理，干燥温度为120℃，干燥时间为80分钟，以除去其中的水分；(b) 将聚二甲基硅氧烷（其粘度为50mPa·S（25℃））加入带有加热套及抽真空设备的双行星搅拌机中，然后向加热夹套中通入150℃的加热油，开动抽真空设备对双行星搅拌机内部抽真空（抽真空后双行星搅拌机内部的绝对压强为200Pa），并进行搅拌（搅拌速度为400转/分钟，搅拌时间为60分钟），搅拌结束后冷却至30℃。

然后，依次按下述步骤制备超低热阻导热硅脂：

（1）按重量计，取100份聚二甲基硅氧烷、40份聚苯基甲基硅氧烷（其粘度为50 mPa·S（25℃））、2600份氧化铝、20份氧化锌（其中位粒径D50为300nm，且最大粒径为1000nm）和10份偶联剂（均为γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷），加入到带加热夹套的真空捏合机中，在30℃下搅拌均匀（搅拌速度为40转/分钟，混合时间为30分钟）；然后向加热夹套中通入120℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为300Pa），继续搅拌80分钟（搅拌速度为50转/分钟），得到半成品硅脂；

上述2600份氧化铝均为球形氧化铝，由下述重量配比的四种不同粒径的球形氧化铝组成：第一种球形氧化铝2250份，其中位粒径D50为6μm，且最大粒径为20μm；第二种球形氧化铝260份，其中位粒径D50为3μm，且最大粒径为12μm；第三种球形氧化铝75份，其中位粒径D50为0.5μm，且最大粒径为5μm；第四种球形氧化铝15份，其中位粒径D50为0.05μm，且最大粒径为0.5μm；

（2）采用三辊研磨机对步骤（1）所得的半成品硅脂研磨3遍；经研磨后半成品硅脂的细度小于20μm；

（3）将经步骤（2）研磨的半成品硅脂加入到带加热夹套的真空捏合机中，然后向加热夹套中通入60℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为50Pa），并搅拌20分钟（搅拌速度60转/分钟），得到超低热阻导热硅脂。

步骤（3）所用的真空捏合机与步骤（1）所用的真空捏合机为同一个真空捏合机，从真空捏合机中取出步骤（1）所得的半成品硅脂后，将真空捏合机清洗干净备用。步骤（3）和步骤（1）也可各使用一个真空捏合机。

按重量计，制得的超低热阻导热硅脂的组成为：聚二甲基硅氧烷100份、聚苯基甲基硅氧烷40份、氧化铝2600份、氧化锌20份、偶联剂10份。

实施例3

首先，进行原料预处理，包括：(a)对氧化铝、氧化锌进行干燥处理，干燥温度为110℃，干燥时间为100分钟，以除去其中的水分；(b) 将聚二甲基硅氧烷（其粘度为200mPa·S（25℃））加入带有加热套及抽真空设备的双行星搅拌机中，然后向加热夹套中通入140℃的加热油，开动抽真空设备对双行星搅拌机内部抽真空（抽真空后双行星搅拌机内部的绝对压强为300Pa），并进行搅拌（搅拌速度为300转/分钟，搅拌时间为80分钟），搅拌结束后冷却至20℃。

然后，依次按下述步骤制备超低热阻导热硅脂：

（1）按重量计，取100份聚二甲基硅氧烷、20份聚苯基甲基硅氧烷（其粘度为200 mPa·S（25℃））、1600份氧化铝、40份氧化锌（其中位粒径D50为200nm，且最大粒径为800nm）和6份偶联剂（均为γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷），加入到带加热夹套的真空捏合机中，在20℃下搅拌均匀（搅拌速度为50转/分钟，混合时间为25分钟）；然后向加热夹套中通入100℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为50Pa），继续搅拌90分钟（搅拌速度为40转/分钟），得到半成品硅脂；

上述1600份氧化铝由下述重量配比的四种不同粒径的球形氧化铝组成：第一种球形氧化铝1250份，其中位粒径D50为5μm（微米），且最大粒径为18μm；第二种球形氧化铝310份，其中位粒径D50为2μm，且最大粒径为10μm；第三种球形氧化铝30份，其中位粒径D50为1μm，且最大粒径为6μm；第四种球形氧化铝10份，其中位粒径D50为0.2μm，且最大粒径为1μm。

（2）采用三辊研磨机对步骤（1）所得的半成品硅脂研磨2遍；经研磨后半成品硅脂的细度小于20μm；

（3）将经步骤（2）研磨的半成品硅脂加入到带加热夹套的真空捏合机中，然后向加热夹套中通入80℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为100Pa），并搅拌25分钟（搅拌速度50转/分钟），得到超低热阻导热硅脂。

步骤（3）所用的真空捏合机与步骤（1）所用的真空捏合机为同一个真空捏合机，从真空捏合机中取出步骤（1）所得的半成品硅脂后，将真空捏合机清洗干净备用。步骤（3）和步骤（1）也可各使用一个真空捏合机。

按重量计，制得的超低热阻导热硅脂的组成为：聚二甲基硅氧烷100份、聚苯基甲基硅氧烷20份、氧化铝1600份、氧化锌40份、偶联剂6份。

实施例4

首先，进行原料预处理，包括：(a)对氧化铝、氧化锌进行干燥处理，干燥温度为115℃，干燥时间为90分钟，以除去其中的水分；(b) 将聚二甲基硅氧烷（其粘度为50mPa·S（25℃））加入带有加热套及抽真空设备的双行星搅拌机中，然后向加热夹套中通入145℃的加热油，开动抽真空设备对双行星搅拌机内部抽真空（抽真空后双行星搅拌机内部的绝对压强为400Pa），并进行搅拌（搅拌速度为400转/分钟，搅拌时间为70分钟），搅拌结束后冷却至25℃。

然后，依次按下述步骤制备超低热阻导热硅脂：

（1）按重量计，取100份聚二甲基硅氧烷、10份聚苯基甲基硅氧烷（其粘度为500 mPa·S（25℃））、2000份氧化铝、60份氧化锌（其中位粒径D50为200nm，且最大粒径为800nm）和10份偶联剂（均为十二烷基三乙氧基硅烷），加入到带加热夹套的真空捏合机中，在25℃下搅拌均匀（搅拌速度为60转/分钟，混合时间为20分钟）；然后向加热夹套中通入115℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为200Pa），继续搅拌90分钟（搅拌速度为60转/分钟），得到半成品硅脂；

上述2000份氧化铝由下述重量配比的四种不同粒径的球形氧化铝组成：第一种球形氧化铝1600份，其中位粒径D50为6μm，且最大粒径为20μm；第二种球形氧化铝350份，其中位粒径D50为2μm，且最大粒径为10μm；第三种球形氧化铝40份，其中位粒径D50为0.5μm，且最大粒径为5μm；第四种球形氧化铝10份，其中位粒径D50为0.05μm，且最大粒径为0.5μm。

（2）采用三辊研磨机对步骤（1）所得的半成品硅脂研磨3遍；经研磨后半成品硅脂的细度小于20μm；

（3）将经步骤（2）研磨的半成品硅脂加入到带加热夹套的真空捏合机中，然后向加热夹套中通入90℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空（抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为100Pa），并搅拌30分钟（搅拌速度60转/分钟），得到超低热阻导热硅脂。

步骤（3）所用的真空捏合机与步骤（1）所用的真空捏合机为同一个真空捏合机，从真空捏合机中取出步骤（1）所得的半成品硅脂后，将真空捏合机清洗干净备用。步骤（3）和步骤（1）也可各使用一个真空捏合机。

按重量计，制得的超低热阻导热硅脂的组成为：聚二甲基硅氧烷100份、聚苯基甲基硅氧烷10份、氧化铝2000份、氧化锌60份、偶联剂10份。

 

经测试，上述实施例1、2、3和4得到的超低热阻导热硅脂的性能如表1所示。

表1 性能测试表

Claims (10)

1.一种超低热阻导热硅脂，其特征在于由下述重量配比的原料制成：聚二甲基硅氧烷100份，聚苯基甲基硅氧烷10－40份，氧化铝1000－2600份，氧化锌20－60份，偶联剂1－10份。

2.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂，其特征是：所述聚二甲基硅氧烷在温度为25℃的条件下的粘度为10－2000mPa·S。

3.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂，其特征是：所述聚苯基甲基硅氧烷在温度为25℃的条件下的粘度为50－500 mPa·S。

4.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂，其特征是：所述氧化铝是球形氧化铝。

5.根据权利要求4所述的超低热阻导热硅脂，其特征是：所述氧化铝由下述重量配比的四种不同粒径的球形氧化铝组成：第一种球形氧化铝750－2300份，其中位粒径D50为5－6μm，且最大粒径不超过20μm；第二种球形氧化铝150－350份，其中位粒径D50为2－3μm，且最大粒径不超过12μm；第三种球形氧化铝20－80份，其中位粒径D50为0.5－1μm，且最大粒径不超过6μm；第四种球形氧化铝10－50份，其中位粒径D50为0.05－0.2μm，且最大粒径不超过1μm。

6.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂，其特征是：所述氧化锌是纳米氧化锌，其中位粒径D50为100－300nm，且最大粒径不超过1000nm。

7.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂，其特征是：所述偶联剂是γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和十二烷基三乙氧基硅烷中的一种或两者的组合。

8.权利要求1所述的超低热阻导热硅脂的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

（1）按重量计，取100份聚二甲基硅氧烷、10－40份聚苯基甲基硅氧烷、1000－2600份氧化铝、20－60份氧化锌和1－10份偶联剂，加入到带加热夹套的真空捏合机中，在20－30℃下搅拌均匀；然后向加热夹套中通入100－120℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空，继续搅拌60－90分钟，得到半成品硅脂；

（2）对步骤（1）所得的半成品硅脂进行研磨；经研磨后半成品硅脂的细度小于20μm；

（3）将经步骤（2）研磨的半成品硅脂加入到带加热夹套的真空捏合机中，然后向加热夹套中通入60－90℃的加热油，同时开动抽真空机对真空捏合机内部抽真空，并搅拌20－30分钟，得到超低热阻导热硅脂。

9.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂的制备方法，其特征是：步骤（1）中抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为50－500Pa。

10.根据权利要求1所述的超低热阻导热硅脂的制备方法，其特征是：步骤（3）中抽真空后真空捏合机内部的绝对压强为50－100Pa。