CN106009445A - 一种导热聚合物纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种导热聚合物纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导热聚合物纳米复合材料及其制备方法，采用室温等离子体技术对六方氮化硼异丙醇溶液进行处理后，获得了纳米级别的氮化硼纳米盘，然后把处理过的层状氮化硼纳米盘的异丙醇溶液与聚乙烯醇溶液搅拌；蒸发溶剂后所得的复合材料就是具有各向异性导热系数的导热聚合物纳米复合材料；本发明提出的导热聚合物纳米复合材料具有较高的导热系数、散热能力佳、综合性能优良，可制成各种元器件，在电子封装领域、LED照明系统、汽车以及航空航天等行业中具有广泛的应用前景。

Description

一种导热聚合物纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有各向异性导热系数的导热聚合物纳米复合材料及其制备方法，具体地说是一种氮化硼纳米盘的制备及其填充的二元导热聚合物纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代电子工业的高速发展以及各种商用和家用电子产品数量的急剧增加，尤其是电子线路和元件的微型化、集成化、轻量化和数字化，对电子元器件的散热要求也越来越高，因此为实现有效的热控制，对材料的导热性能提出了越来越高的要求。作为传统的导热材料，金属材料由于其导电性在某些领域中的应用受到一定的限制，因此研制和开发各种高性能的电绝缘导热材料已成为目前工业界研究的一个重要领域。聚合物基复合材料因具有电绝缘、质轻、耐腐蚀、易加工等优点而被认为是可取代金属材料用于热控制领域的理想材料之一。
由于聚合物本身导热性能不佳，因此大部分聚合物基导热材料采用填充一些高导热填料来增强其导热性能。近年来，利用导热填料填充聚合物基体以制备高导热性能的聚合物复合材料已获得广泛的关注。如公开号为CN1775860A、CN101280109A和CN101280108A等专利公开了一系列导热塑料的制备，其主要思想是在聚合物基体中添加大量的导热材料来增加聚合物的导热性能。然而这些发明所涉及的导热塑料其导热率较低，对于高导热系数的导热塑料的制备并没有提及具体的方法。本发明在现有技术基础上，通过特定的制备方法对导热填料氮化硼进行剥离处理并添加到聚合物中制备出具有各向异性导热系数的导热聚合物纳米复合材料，相比于其他制备方法，其制备出的导热聚合物纳米复合材料具有诸多优点，如具有优异的导热性能、电绝缘特性、化学稳定性较好，成本低廉，易于成型和大规模生产等优点，可广泛地应用于电子封装、电子传感器和场发射器件、自控温加热元件、检测元件等领域。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种氮化硼纳米盘增强聚乙烯醇的高导热聚合物纳米复合材料及其制备方法，为多性能导热聚合物复合材料的制备提供新思路和新方法，为掌握多功能导热聚合物复合材料的导热原理提供新的理论和实验依据。
本发明主要采用目前在材料领域内较先进的室温等离子体技术来制备氮化硼纳米盘，具有安全性好、成本较低、易于控制等诸多优点。
本发明提供的导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其步骤如下：
1)将六方氮化硼与异丙醇共混后，经过超声处理；
2)将聚乙烯醇加入到去离子水中搅拌，配置成聚乙烯醇溶液；
3)利用室温等离子体技术对超声处理过的氮化硼异丙醇溶液进行剥离处理；
4)将处理过的氮化硼异丙醇溶液与聚乙烯醇溶液搅拌共混；
5)将搅拌共混后的溶剂蒸发处理。
优选的，所述超声处理时间为48小时。
优选的，所述乙烯醇与去离子水的搅拌温度为80℃。
优选的，所述氮化硼异丙醇溶液进行剥离处理的电压为3kV、电流为0.1-0.9mA，反应时间60min，反应温度为30℃。
优选的，所述氮化硼异丙醇溶液与聚乙烯醇水溶液的搅拌共混温度为100℃，搅拌时间为60min。
优选的，所述氮化硼异丙醇溶液与聚乙烯醇溶液搅拌共混时，氮化硼异丙醇溶液的质量占比为1-50，聚乙烯醇溶液的质量占比为50-99。
通过上述方法即可制得的本发明所述的具有各向异性导热系数的导热聚合物纳米复合材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对高导热性的氮化硼进行等离子体技术处理后获得了氮化硼纳米盘，把氮化硼纳米盘分散于低导热系数的聚合物基体中，形成导热增强组分，从而提高其导热能力。众所周知，对于二维材料而言，其层数越少，导热性能越好，因此通过对六方氮化硼进行剥离处理后形成的氮化硼纳米片不仅能均匀的分散在聚合物基体中，而且其导热效果非常优异。与以往导热聚合物材料制备技术比较而言，具有各向异性导热系数的导热聚合物纳米复合材料制备工艺简单、成本低廉、机械加工性能优良并可大规模生产等优点，可在电子封装、电子传感器和场发射器件等行业中具有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明。
本发明专利旨在制备一种新型的具有各向异性导热系数的导热聚合物纳米复合材料，以保护生态环境为前提，以制备低密度、高导热率的导热材料为目的，通过一种新型的室温等离子体技术来制备高导热系数的氮化硼纳米片，通过调节改变氮化硼纳米片的相对含量，可以制备出具有不同导热系数的导热聚合物纳米复合材料，以满足不同的工业应用要求。
实施例1
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以1：99的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为0.45mm2/s；面外导热系数为0.13mm2/s。
实施例2
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以3：97的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为0.55mm2/s；面外导热系数为0.14mm2/s。
实施例3
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以5：95的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为1.06mm2/s；面外导热系数为0.161mm2/s。
实施例4
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以10：90的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为1.507mm2/s；面外导热系数为0.203mm2/s。
实施例5
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以15：85的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为2.04mm2/s；面外导热系数为0.313 mm2/s。
实施例6
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以20：80的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为2.52mm2/s；面外导热系数为0.43 6mm2/s。
实施例7
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以30：70的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为3.61mm2/s；面外导热系数为0.623 mm2/s。
实施例8
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以40：60的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为4.43mm2/s；面外导热系数为0.693 mm2/s。
实施例9
首先，将500g六方氮化硼加入到2000ml的异丙醇中，密封好后在超声波中超声48小时，然后利用室温等离子体技术对该氮化硼异丙醇溶液进行等离子体处理60min；将500g聚乙烯醇溶于500L的去离子水中，在80℃的温度下剧烈搅拌使得聚乙烯醇完全溶于水中形成透明溶液，获得5mg·mL-1的聚乙烯醇溶液；然后，将氮化硼溶液与聚乙烯溶液醇以50：50的质量比共混搅拌后配制成复合材料；然后将该复合材料进行切片制成直径为25.4mm的圆形样品供面内导热系数的测量；和边长为12.7mm的正方形样品供面外（垂直平面）的导热系数的测量。此例得到的导热聚合物纳米复合材料的面内导热系数为5.28mm2/s；面外导热系数为0.809 mm2/s。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将六方氮化硼与异丙醇共混后，经过超声处理；
2)将聚乙烯醇加入到去离子水中搅拌，配置成聚乙烯醇溶液；
3)利用室温等离子体技术对超声处理过的氮化硼异丙醇溶液进行剥离处理；
4)将处理过的氮化硼异丙醇溶液与聚乙烯醇溶液搅拌共混；
5)将搅拌共混后的溶剂蒸发处理。
2.根据权利要求1所述的导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述超声处理时间为48小时。
3.根据权利要求1所述的导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述乙烯醇与去离子水的搅拌温度为80℃。
4.根据权利要求1所述的导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮化硼异丙醇溶液进行剥离处理的电压为3kV、电流为0.1-0.9mA，反应时间60min，反应温度为30℃。
5.根据权利要求1所述的导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮化硼异丙醇溶液与聚乙烯醇水溶液的搅拌共混温度为100℃，搅拌时间为60min。
6.根据权利要求1所述的导热聚合物纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮化硼异丙醇溶液与聚乙烯醇溶液搅拌共混时，氮化硼异丙醇溶液的质量占比为1-50，聚乙烯醇溶液的质量占比为50-99。
7.一种如权利要求1所述制备方法制得的聚合物纳米复合电磁屏蔽材料。
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