CN103772993A - 高导热纳米铜导热硅脂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高热导率导热硅脂，添加一种新型的纳米铜粒子作为导热介质，其中聚有机硅氧烷所占重量份为10~30，新型纳米铜粒子5~20，导热填料所占质量比例为50~70。本发明研制的高热导率导热硅脂具有高热导率的特点，导热硅脂热导率达到了6.0W/m.k以上，同时在使用过程中能保证长期的使用寿命。

Description

高导热纳米铜导热硅脂及其制备方法

技术领域：

本发明涉及到高分子材料技术领域，尤其涉及到一种高导热纳米铜导热硅脂的制备。

背景技术：

随着现代科技的发展，电子产品更加密集化、微型化、高效率化。由于电子电器功率的增大，在使用的过程中会产生大量的热能，如果散热不良就会直接影响到电子产品的可靠性和使用寿命，所以随着电子工业的发展，对散热提出了越来越高的需求，多种热界面材料被开发并应用于降低散热器和热源间的热阻。导热硅脂是其中的一种，因其具有使用方便，导热效果好，易于返修等优点获得广泛应用。

常用的导热硅脂是将导热填料添加到合适粘度的聚有机硅氧烷中，并加入添加剂改善性能。通过选择不同的导热填料和添加量，硅脂可获得可调节的导热系数，以满足不同要求。

CN 101294067 A公开了一种导热硅脂组合物，该组合物由有机硅油、硅烷偶联剂和导热粉体组成，其中导热分体有三种粒径进行复配复配，所涉及的金属粉体经过热处理并在金属粉体表面形成一层氧化膜。

CN 101429422 A公开了一种提高导热硅脂导热性能的方法。通过加入碳纳米管，并提高碳纳米管的纯度和降低碳纳米管的表面能和缠绕程度，使碳纳米管呈现出较为有序的排列，从而形成一个良好的导热网络来提高导热硅脂的导热性能。

CN 1990819A公开了一种导热硅脂组合物，该组合物显示了良好的加工性能，同时能填充到细小的凹槽中而使接触电阻减小并提供优良的散热性能，同时改进了该组合物在高温和高湿下的耐久性。

CN 102241965A 公开了一种导热硅脂组合物的制备方法，采用了纳米级氧化铝包覆铜粉为填料，将粉体填料与氮化铝、氧化锌、纳米铜、有机硅脂等按一定比例配合而制得膏状物，得到产品在长时间高温放置也不干、不硬、不熔化，同时具有优异的电绝缘性能、耐老化性能等。

CN 102558867 A低拖尾导热硅脂组合物及制备方法。该方法制备出来的导热硅脂的导热性能与市面上通用的导热硅脂相同，但其具有低拉丝低拖尾的性能，在工艺中具有无污染、便于自动化施胶的优势。

目前导热硅脂所采取的基础硅油一般为非反应性的基础油，一般为黏度低、分子链短而扩散率大，爬行现象严重，在长期的使用过程中，基础油与导热填料经常发生分离，其结果就是导热硅脂涂层粉化、碎裂以及导热性能变差；而采用高粘度的基础油则难以添加高固含量的导热填料，产品的导热性能差。

本发明采用纳米铜导热材料作为导热介质，由于纳米铜粒子有纳米材料的小尺寸效应、表面界面效应使其纳米颗粒具有表面原子所占比重大、比表面积大、表面能高等特点，利用纳米铜颗粒高热导率的特点，同时采用高粘度的非反应性硅油，减少基础油与导热填料的分离，从而得到高热导率导热硅脂并保证导热硅脂的长期使用稳定性。

 

发明内容

本发明提出了一种可保证长期使用稳定性的、高热导率的导热硅脂组合物,该组合物采用纳米铜导热材料作为导热介质，同时采用高粘度的非反应性硅油，得到了一种高热导率并能保证长期实用性的导热硅脂组合物。

本发明的技术方案如下，高导热纳米铜导热硅脂按重量份数由以下组分组成：

             聚有机硅氧烷    10-30

             导热填料        50-70

             纳米铜粒子      5-20

其中，所述聚有机硅氧烷可以用通式表示为RaSiOR_(4-a)/2，其中，每个R代表具有1～18个碳原子的饱和或不饱和烃基的一种或数种基团，a为1.8≤a≤2.2的数字， R所代表的基团为甲基、乙基、丙基、癸基、十二烷基、十八烷基的烷基基团，苯基、甲苯基的芳基，环己基、环戊基的环烷基，乙烯基、烯丙基的链烯基，3,3,3-三氟丙基、对氯苯基的卤代基团。

聚有机硅氧烷通式中的a为1.9～2.2的数字，所述的聚有机硅氧烷25℃的运动粘度为50～100000mPas。

导热填料选自导热系数大于10W/m·K的导热填料，

导热填料颗粒形状没有特别限制，可以为球状、棒状、针状、圆盘形以及不规则形状。

导热填料选自氧化锌、氧化铝、氧化镁中的一种或几种。 

导热填料的平均粒径为0.1-50μm。

纳米铜粒子，是基于等离子辐照后，使铜片蒸发后形成的粒径为20-50nm的新型纳米铜粒子。

纳米铜粒子由以下方法制备：

1）将高纯电解铜片放入钨舟中，抽真空至8Pa左右，充入适量H₂和氦气的混合气体，然后用电阻加入加热引燃等离子弧，在加热周围形成高温区，使铜片融化并蒸发。

2) 控制铜原子的蒸发速度，使其离开液面后，与惰性气体分子不断碰撞后而改变运动方向，不能沉积成膜，而是在低温表面的任意方向沉积成纳米粒子。

3）将所得的纳米铜粒子在无水乙醇中通过超声分散，制得铜粒子的粒径基本在20~50nm之间。

高导热纳米铜导热硅脂还包括添加剂，所述的添加剂选自表面活性剂、着色剂、阻燃剂、催化剂、触变改性剂中的一种或几种。

高导热纳米铜导热硅脂的制备方法，包括以下步骤：

S10、将聚有机硅氧烷、添加剂在室温下混合10～20分钟；

S20、加入纳米铜粒子以及导热填料，用分散设备混合均匀后置于150℃的烘箱中30min使其稠化，冷却后得到高导热纳米铜导热硅脂。

说明书附图

图1为实施例5获得的导热硅脂的扫描电镜图片。

 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。

高导热纳米铜导热硅脂按重量份数由以下组分组成：

             聚有机硅氧烷    10-30

             导热填料        50-70

             纳米铜粒子      5-20

聚有机硅氧烷

聚有机硅氧烷可以用通式表示为RaSiOR_(4-a)/2，其中，每个R代表具有1～18个碳原子的饱和或不饱和烃基的一种或数种基团，a为1.8≤a≤2.2的数字， R所代表的基团为甲基、乙基、丙基、癸基、十二烷基、十八烷基的烷基基团，苯基、甲苯基的芳基，环己基、环戊基的环烷基，乙烯基、烯丙基的链烯基，3,3,3-三氟丙基、对氯苯基的卤代基团。为了获得更好的高导热纳米铜导热硅脂，聚有机硅氧烷通式中的a为1.9～2.2的数字，所述的聚有机硅氧烷25℃的运动粘度为50～100000mPas。

导热填料

导热填料选自导热系数大于10W/m·K的导热填料，导热填料颗粒形状没有特别限制，可以为球状、棒状、针状、圆盘形以及不规则形状。导热填料选自氧化锌、氧化铝、氧化镁中的一种或几种。 导热填料的平均粒径为0.1-50μm。

纳米铜粒子

纳米铜粒子，是基于等离子辐照后，使铜片蒸发后形成的粒径为20-50nm的新型纳米铜粒子。纳米铜粒子由以下方法制备：

1）将高纯电解铜片放入钨舟中，抽真空至8Pa左右，充入适量H₂和氦气的混合气体，然后用电阻加入加热引燃等离子弧，在加热周围形成高温区，使铜片融化并蒸发。

2) 控制铜原子的蒸发速度，使其离开液面后，与惰性气体分子不断碰撞后而改变运动方向，不能沉积成膜，而是在低温表面的任意方向沉积成纳米粒子。

3）将所得的纳米铜粒子在无水乙醇中通过超声分散，制得铜粒子的粒径基本在20~50nm之间。

通过采用纳米铜导热材料作为导热介质，同时采用高粘度的非反应性硅油，得到了一种具有优异热导率并能保证长期实用性的导热硅脂组合物。

作为优选的技术方案，为了更好的导热和更低导电性能，可以选择导热填料的粒径为1-5微米之间，纳米铜粒子的粒径在20-50纳米之间，导热填料与纳米铜粒子的质量比为5:1-2:1。

添加剂

高导热纳米铜导热硅脂还包括添加剂，所述的添加剂选自表面活性剂、着色剂、阻燃剂、催化剂、触变改性剂中的一种或几种。

作为任选组分，一些常用的添加剂或填料也可以加入到本发明的导热硅脂组合物中，前提是这些任选组分的加入不会削弱本发明的目的。这些任选组分的实例包括氟改性的硅表面活性剂；着色剂如炭黑、二氧化钛和三氧化二铁；带阻燃作用的试剂如铂催化剂、金属氧化物如氧化铁、氧化钛和氧化铈，和金属氧化物。另外为了防止导热填料在高温情况下的沉降，还可以加入气硅或触变改性剂或类似添加剂。

制备方法

高导热纳米铜导热硅脂的制备方法，包括以下步骤：

S10、将聚有机硅氧烷、添加剂在室温下混合10～20分钟；

S20、加入纳米铜粒子以及导热填料，用分散设备混合均匀后置于150℃的烘箱中30min使其稠化，冷却后得到高导热纳米铜导热硅脂。

购买使用以下产品

A1 甲基硅油 201-3000，道康宁公司

A2 甲基硅油201-1000，道康宁公司

B1 氧化铝 DAM-10 日本电气化学

B2 氧化铝 DAM-1 日本电气化学

C1 纳米铜粒子，通过上述的方法制备出平均粒径在30纳米的纳米铜粒子。

D  添加剂：气相二氧化硅，HN-150，扬州昊能化工有限公司

将上述原料按照前述的生产工艺生产硅脂混合物， 测量其导热系数。

实施例1-8所采用的配方见下表（重量份）：

由以上发明可以看出，加入纳米铜粒子的确能较大幅度增加导热硅脂热导率性能。

虽然本发明己以较佳实施例公开如上， 但它们并不是用来限定本发明， 本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的内容为准。任何熟习本技术领域者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作的各种变化或等同替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的高导热纳米铜导热硅脂按重量份数由以下组分组成：

             聚有机硅氧烷    10-30

             导热填料        50-70

             纳米铜粒子      5-20

其中，所述聚有机硅氧烷可以用通式表示为RaSiOR_(4-a)/2，其中，每个R代表具有1～18个碳原子的饱和或不饱和烃基的一种或数种基团，a为1.8≤a≤2.2的数字， R所代表的基团为甲基、乙基、丙基、癸基、十二烷基、十八烷基的烷基基团，苯基、甲苯基的芳基，环己基、环戊基的环烷基，乙烯基、烯丙基的链烯基，3,3,3-三氟丙基、对氯苯基的卤代基团。

2.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的聚有机硅氧烷通式中的a为1.9～2.2的数字，所述的聚有机硅氧烷25℃的运动粘度为50～100000mPas。

3.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的导热填料选自导热系数大于10W/m·K的导热填料。

4.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的导热填料颗粒形状没有特别限制，可以为球状、棒状、针状、圆盘形以及不规则形状。

5.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的导热填料选自氧化锌、氧化铝、氧化镁中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的导热填料的平均粒径为0.1-50μm。

7.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的纳米铜粒子，是基于等离子辐照后，使铜片蒸发后形成的粒径为20-50nm的新型纳米铜粒子。

8.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的纳米铜粒子由以下方法制备：

1）将高纯电解铜片放入钨舟中，抽真空至8Pa左右，充入适量H₂和氦气的混合气体，然后用电阻加入加热引燃等离子弧，在加热周围形成高温区，使铜片融化并蒸发，

2) 控制铜原子的蒸发速度，使其离开液面后，与惰性气体分子不断碰撞后而改变运动方向，不能沉积成膜，而是在低温表面的任意方向沉积成纳米粒子，

3）将所得的纳米铜粒子在无水乙醇中通过超声分散，制得铜粒子的粒径基本在20~50nm之间。

9.根据权利要求1所述的高导热纳米铜导热硅脂，其特征在于，所述的高导热纳米铜导热硅脂还包括添加剂，所述的添加剂选自表面活性剂、着色剂、阻燃剂、催化剂、触变改性剂中的一种或几种。

10.权利要求1-9中任意一项权利要求所述的高导热纳米铜导热硅脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、将聚有机硅氧烷、添加剂在室温下混合10～20分钟；

S20、加入纳米铜粒子以及导热填料，用分散设备混合均匀后置于150℃的烘箱中30min使其稠化，冷却后得到高导热纳米铜导热硅脂。

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