CN105670646B - 高导热主链尾接型液晶高分子膜材料及其制备方法 - Google Patents

高导热主链尾接型液晶高分子膜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导热主链尾接型液晶高分子膜材料及其制备方法，该材料是液晶高分子构成的主链沿薄膜法线方向有序排列，从而大幅度提高法向热导率，帮助电子元器件和电子设备将产生的热量快速有效地传输释放。制备方法通过对硫烯类主链型液晶单体垂直配向，获得较为理想的单畴取向，然后光引发聚合/交联，获得液晶高分子导热薄膜。该复合膜是由主链尾接型液晶单体，交联剂和光致自由基引发剂混合后，填充入涂有氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中，在交流电场作用下实现液晶分子垂直取向后，在紫外光照固化下制备形成的。本发明材料可用于帮助电子元器件和电子设备将产生的热量快速有效地传输释放，可以有效的缓解电子器件散热的问题。

Description

高导热主链尾接型液晶高分子膜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高导热液晶高分子薄膜材料，特别涉及一类垂直取向的主链尾接型液晶高分子构成的聚合物膜及其制备方法。
背景技术
随着微电子集成技术和封装技术的快速发展，及时散热能力已成为影响器件使用寿命的重要制约因素，研制高导热性能的绝缘材料是电子信息产业的迫切需求，具有重要的科学意义。传统的高导热绝缘材料采用的是高分子复合材料。由于高分子聚合物本身是热的不良导体，热导率数值大多在0.2-0.3W·K-1·m-1，目前的高导热绝缘高分子材料主要采用向聚合物中填充导热组分的方法来制备，材料的制备工艺较为复杂，成本较高，而且机械性能普遍很差，限制了其的广泛应用。现在普遍研究以液晶弹性体为代表的具有高热导率、无需填充导热组分的新型聚合物材料来尝试替代传统的高分子复合材料，大多数是采用配向处理的方法，如机械摩擦、电场、磁场等，使液晶高分子链实现宏观的单畴有序性，从而使沿配向方向上的热导率大幅度提高。目前的研究工作大多采取面平行配向，使得面向热导率大幅提升，而针对垂直取向液晶高分子材料的研究工作非常少。
文献Microscale Thermophys.Eng.2003,7,87报道了一种带电荷的溶致液晶聚合物，其特征在于利用1V/μm电场实现面平行配向。研究表明利用此液晶聚合物制得的膜在不同方向上的热导率差异化比较明显，沿面平行方向的热导率是面垂直方向的5～20倍。
文献Adv.Mater.1993,5,107报道了一种面平行取向的液晶高分子薄膜，其特征在于采用机械摩擦聚酰亚胺表面的方法，研究了双丙烯酸酯封端液晶小分子单体在旋涂并交联后，得到的面平行配向的液晶高分子薄膜的热导率，研究表明热导率在面平行方向得到了一个明显的提升，达到5.2±0.9W·K-1·m-1。缺点在于然在薄膜法线方向上仅为0.33±0.03W·K-1·m-1。
文献Macromolecules 2013,46,747报道了一种近晶相结构聚酰亚胺类液晶聚合物，其特征在于利用自支撑膜实现自发垂直取向，并通过热固化交联成膜。缺点是此研究是直接对高粘度的液晶聚合物进行垂直配向，导致实际配向效果并不理想，热导率提升不明显。
US8465670-B2公开了一种带有导热填充物的液晶聚酯聚合物材料。这种材料包含了50～90％体积分数的导热填充物，可以在电子器件上很高效地形成具有优良导热性能的绝缘层。
发明内容
技术问题：为解决传统高导热绝缘材料中填充材料过多，机械性能差，法向导热性能较差等缺点，本发明提供一种不添加填充物的，具有较高热导率的，基于垂直取向的高导热主链尾接型液晶高分子膜材料。
技术方案：本发明的高导热主链尾接型液晶高分子膜材料，由分子主链沿膜法向方向有序排列而成，所述分子主链之间由交联剂连接，每个分子主链由主链尾接型液晶分子首尾连接而成，所述液晶分子构成的分子主链组成单元为以下任意一种：
其中m＝1～8，n＝2～10，i>2。
本发明的制备上述高导热主链尾接型液晶高分子膜材料的方法，包括以下步骤：
1)以物质的量计，将7～9份主链尾接型液晶单体，1～3份交联剂和0.01份紫外光引发剂按比例溶于二氯甲烷中，室温下搅拌20分钟以上，蒸发掉二氯甲烷后，真空干燥12～24小时；所述液晶单体和交联剂的份数之和为10，所述液晶单体为以下任意一种：
其中m＝1～8，n＝2～10；
2)取所述步骤1)的混合物,100～130℃下填充入20～200μm带氧化铟锡透明导电玻璃的液晶盒中间，降温至60～80℃后，利用信号发生器施加1～100kHz，100～1500V的交流电，365nm紫外光照交联2～10分钟后，撤去交流电场，冷却至室温；
3)取所述步骤2)的液晶盒放置于氢氟酸中浸泡2～3天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料。
进一步的，本发明方法中，交联剂为以下两种分子的混合：
所述光致自由基引发剂的分子结构为以下任意一种：
本发明还包括上述主链尾接型液晶高分子薄膜材料在增加电子器件散热性能中的应用。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提供了一种高导热主链尾接型液晶高分子聚合物膜材料。目前，现有的液晶高分子复合导热材料将液晶高分子同无机高导热材料互混(含量达50-80％)，导致材料的制备工艺较为复杂，成本较高，机械性能普遍很差，例如专利US8465670-B2公开了一种带有导热填充物的液晶聚酯聚合物材料，这种材料包含了50～90％体积分数的导热填充物，而利用液晶高分子制备无填充的高导热聚合物材料的研究大体是利用机械摩擦、电场、磁场等配向处理的方法，使液晶高分子链实现宏观的单畴有序性，从而使沿配向方向上的热导率大幅度提高，目前存在的主要问题表现为：①绝大多数的材料局限于面平行配向，使得面垂直方向的热导率较低，如文献Adv.Mater.1993,5,107报道了一种采用机械摩擦制备平行取向的液晶高分子薄膜的方法，得到的面平行配向的液晶高分子薄膜，热导率在面平行方向达到5.2±0.9W·K-1·m-1，然而在面垂直方法上仅为0.33±0.03W·K-1·m-1；②少数垂直配向的材料普遍取向效果差，导致垂直方向的热导率较低，如文献Macromolecules2013,46,747报道了一种垂直配向的近晶相结构聚酰亚胺类液晶聚合物材料，它利用自支撑膜实现自发垂直取向，由于是直接对高粘度的液晶聚合物进行垂直配向，导致垂直效果较差，热导率明显偏低。本发明与现有技术相比，具有以下优点：①本发明设计发明了一类主链尾接型液晶小分子，直接通过电场对液晶小分子垂直配向，使得液晶小分子在面垂直方向上实现了很好的有序性；②利用硫烯点击的方法制备垂直取向液晶高分子薄膜，形成的主链尾接型液晶高分子主链为液晶小分子收尾相接而成，在面垂直方向上有很好的取向效果，而液晶高分子主链的高度有序性，使得整个材料沿着膜垂直方向具有较高的热导率；③本发明中的膜材料不添加任何导热填料，机械性能良好，制备成本低，从制备工艺而言，整个材料通过紫外光照固化成膜的方法制备，简单易行，便于工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步具体说明。
I主链尾接型液晶高分子聚合物膜材料的制备
将主链尾接型液晶单体，交联剂和紫外光引发剂按照(7～9)：(1～3)：0.01的摩尔当量比溶于二氯甲烷中，室温下搅拌20分钟以上，蒸发掉二氯甲烷后，真空干燥12～24小时，取混合物在100～130℃下填充入20～200μm带氧化铟锡透明导电玻璃的液晶盒中间，降温至60～80℃后，利用信号发生器施加1～100kHz，100～1500V的交流电，365nm紫外光照交联2～10分钟后，撤去交流电场，冷却至室温，将液晶盒放置于氢氟酸中浸泡2～3天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料。
所述液晶单体为以下任意一种：
其中m＝1～8，n＝2～10。
所述交联剂为以下两种的混合：
所述光致自由基引发剂的分子结构为以下任意一种：
II主链尾接型液晶高分子聚合物膜材料的比热容测试，密度测试，热扩散系数测试和热导率计算：
(1)比热容测试：利用耐驰公司的差示热扫描仪中的蓝宝石方法，通过三次测试：空白测试、蓝宝石测试、样品测试检测出薄膜热导率。将8mg剪碎的薄膜放入坩埚内放入仪器中，经过等温-升温-等温的温度程序得到DSC曲线，在扣除空白曲线后和蓝宝石标准样品的DSC曲线进行比较，得到薄膜样品的比热容参数。
(2)密度测试：将干净的比重瓶注满蒸馏水，用带有毛细管的磨石玻璃塞子缓慢地将瓶口塞住，多余的液体从毛细管溢出，设比重瓶盛满蒸馏水后的质量为m水。将质量为m物的待测薄膜样品投入盛满蒸馏水的比重瓶中，溢出水的体积就等于固体的体积，此时比重瓶及瓶内剩余的水和待测固体总质量为m总。利用分析天平测出m水、m物、m总，利用公式ρ物＝(m物×ρ水)/(m水+m物-m总)得出薄膜样品的密度数据。
(3)热扩散系数测试：采用激光闪光法测试薄膜的法向热导率和面向热导率。薄膜样品裁剪成25.4毫米直径的圆柱形状,整个表面涂上一层碳作为挡光层，作为加热源的氙灯发射一束激光脉冲，打在样品的下表面，由红外探测器测量样品上表面的相应温升，并由软件计算出样品的热扩散系数。
(4)热导率计算：热导率数据通过以下公式计算得到：热导率＝比热容×密度×热扩散系数。
实施例1：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将3.73克(9mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.25克(0.5mmol)的巯基交联剂0.13克(0.5mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在130℃下填充入20μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至60℃后，利用信号发生器施加1kHz，100V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联2分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡2天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为2.439W·m-1·K-1，面向热导率为0.219W·m-1·K-1，比值为11.1。
实施例2：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将3.51克(9mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.25克(0..5mmol)的巯基交联剂0.13克(0.5mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在100℃下填充入200μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至60℃后，利用信号发生器施加100kHz，1500V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联10分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡2天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为2.210W·m-1·K-1，面向热导率为0.256W·m-1·K-1，比值为8.6。
实施例3：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将3.30克(8mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.49克(1mmol)的巯基交联剂0.26克(1mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在120℃下填充入100μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至80℃后，利用信号发生器施加10kHz，300V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联3分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡2天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为1.926W·m-1·K-1，面向热导率为0.192W·m-1·K-1，比值为10。
实施例4：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将3.30克(8mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.25克(0.5mmol)的巯基交联剂0.39克(1.5mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在110℃下填充入150μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至75℃后，利用信号发生器施加50kHz，700V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联6分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡2天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为1.932W·m-1·K-1，面向热导率为0.201W·m-1·K-1，比值为9.6。
实施例5：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将3.12克(8mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.49克(1mmol)的巯基交联剂0.26克(1mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在105℃下填充入120μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至65℃后，利用信号发生器施加50kHz，900V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联6分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡3天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为2.130W·m-1·K-1，面向热导率为0.226W·m-1·K-1，比值为9.4。
实施例6：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：将2.89克(7mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.74克(1.5mmol)的巯基交联剂0.39克(1.5mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在125℃下填充入180μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至68℃后，利用信号发生器施加40kHz，800V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联5分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡2天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为1.739W·m-1·K-1，面向热导率为0.181W·m-1·K-1，比值为9.6。
实施例7：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将2.89克(7mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.49克(1mmol)的巯基交联剂0.51克(2mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在115℃下填充入70μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至70℃后，利用信号发生器施加4kHz，500V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联6分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡3天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为1.713W·m-1·K-1，面向热导率为0.193W·m-1·K-1，比值为8.8。
实施例8：硫烯类主链尾接型液晶高分子薄膜，其制备步骤及导热性能测试为：
将2.73克(7mmol)含双键的硫烯类主链型液晶单体0.98克(2mmol)的巯基交联剂0.26克(1mmol)的烯烃交联剂和0.026克(0.01mmol)的光致自由基引发剂在室温下加入2毫升二氯甲烷帮助溶解，搅拌混合旋干，然后将混合物在105℃下填充入70μm带氧化铟锡导电玻璃的液晶盒中间，降温至60℃后，利用信号发生器施加60kHz，1100V的交流电场，使用365nm的紫外光照交联8分钟后，撤去交流电场，冷却至室温后放置于氢氟酸中浸泡3天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料，薄膜法向热导率为1.751W·m-1·K-1，面向热导率为0.190W·m-1·K-1，比值为9.2。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高导热主链尾接型液晶高分子膜材料，其特征在于，该材料由分子主链沿膜法向方向有序排列而成，所述分子主链之间由交联剂连接，每个分子主链由主链尾接型液晶分子首尾连接而成，所述液晶分子构成的分子主链组成单元为以下任意一种：
其中m＝1～8，n＝2～10，i＞2。
2.一种制备权利要求1所述的高导热主链尾接型液晶高分子膜材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)以物质的量计，将7～9份主链尾接型液晶单体，1～3份交联剂和0.01份紫外光引发剂按比例溶于二氯甲烷中，室温下搅拌20分钟以上，蒸发掉二氯甲烷后，真空干燥12～24小时；所述液晶单体和交联剂的份数之和为10，所述液晶单体为以下任意一种：
其中m＝1～8，n＝2～10；
2)取所述步骤1)的混合物，100～130℃下填充入20～200μm带氧化铟锡透明导电玻璃的液晶盒中间，降温至60～80℃后，利用信号发生器施加1～100kHz，100～1500V的交流电，365nm紫外光照交联2～10分钟后，撤去交流电场，冷却至室温；
3)取所述步骤2)的液晶盒放置于氢氟酸中浸泡2～3天，腐蚀玻璃基板后，取出薄膜，即获得主链尾接型液晶高分子薄膜材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述交联剂为以下两种分子的混合：
所述光致自由基引发剂的分子结构为以下任意一种：
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