CN106349697A - 一种led用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料，由以下重量份的原料组成：硅橡胶基体55‑70份，氮化铝22‑32份，多巴胺16‑26份，20mmol/L的硝酸银溶液20‑35份，羟基硅油1‑3份，双‑2,5硫化剂2‑5份，去离子水适量，Tris‑HCl缓冲溶液适量，乙烯基三乙氧基硅烷1‑3份，玻璃纤维6‑13份，空心玻璃微珠2‑6份。本发明使用多巴胺在氮化铝表面氧化聚合形成紧密附着的聚多巴胺层，同时在包覆氮化铝的聚多巴胺层表面负载银纳米粒子，复配填充硅橡胶，提高硅橡胶热界面材料的高导热散热性能，同时具有良好的柔顺性、撕裂强度和电绝缘性能。

Description

一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料以及制 备方法
技术领域
本发明属于热界面材料领域，具体涉及一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料以及制备方法。
背景技术
随着LED制造和封装工艺的不断进步，LED的功率越来越大。目前，商品化的大功率LED输入功率一般在1W以上，芯片面积1mm×1mm，热流密度在100W/cm2以上，散热要求非常高。热量从芯片传到外部环境，要经过若干界面，界面之间的间隙、基板的翘曲都会影响键合和局部的散热，形成界面热阻。随着LED向大功率、高亮度发展，界面热阻已成为LED行业难题之一，必须从热界面材料（TIM）、散热结构等多方面加以解决，而热界面材料是降低大功率LED灯具中界面热阻的有效手段之一。
导热硅橡胶具有优异的绝缘性能，同时能够快速有效地散除电子设备产生的热量，提高电子设备的使用寿命和工作效率。高导热率硅橡胶主要是填充型导热橡胶，由高分子基体和高导热填料组成，其中导热填料是主要的导热载体。常用的导热填料有金属类、氧化物类、氮化物类、碳化物类等。其中氮化铝高纯单晶体理论热导率可达320W/(m·K)，具有可靠的电绝缘性能、较低的介电损耗和介电常数，是理想的导热填料，但由于氮化铝吸潮后会与水发生水解反应，产生的Al(OH)3会使导热通路产生中断，进而影响声子的传递，因此做成品后热导率偏低，即使使用硅烷偶联剂进行表面处理，也不能保证100%填料表面被包覆。
徐又一、蒋金泓等人在发表的《多巴胺的自聚-附着行为与膜表面功能化》一文中，综述了多巴胺在表面改性中的研究进展，对多巴胺自聚-复合改性原理及其在表面功能化方面的应用作了详述。水溶液条件下，多巴胺能在溶解氧的作用下发生氧化-交联反应，形成强力附着于聚合物、金属、陶瓷、玻璃、木材等一系列固体材料表面的聚多巴胺复合薄层，并以具有反应活性的聚多巴胺复合层为平台，对膜进行进一步的表面修饰可以实现膜的功能化。
因此，本发明利用聚多巴胺包覆氮化铝，提高其热导率，制备一种导热系数高、绝缘性能好、稳定性好的聚多巴胺功能修饰的高导热硅橡胶热界面材料。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料以及制备方法。
一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料，由以下重量份的原料组成：硅橡胶基体55-70份，氮化铝22-32份，多巴胺16-26份，20mmol/L的硝酸银溶液20-35份，羟基硅油1-3份，双-2,5硫化剂2-5份，去离子水适量，Tris-HCl缓冲溶液适量，乙烯基三乙氧基硅烷1-3份，玻璃纤维6-13份，空心玻璃微珠2-6份。
具体步骤如下：
（1）聚多巴胺功能修饰氮化铝的制备：
将氮化铝加入去离子水中，在超声容器中超声分散30-50分钟，然后加入多巴胺水溶液用磁力搅拌器搅拌均匀，用Tris-HCl缓冲溶液调节其pH值为8.5，在室温条件下搅样反应20-24小时过滤，去离子水洗涤至滤液变为无色，干燥箱中50-70℃干燥20-24小时，所得产品为表面包覆聚多巴胺层的氮化铝；
（2）纳米银修饰的氮化铝的制备：
将步骤（1）得到的聚多巴胺功能修饰氮化铝浸入到20mmol/L的硝酸银溶液中，在搅拌状态下，反应6-10小时后离心，用去离子水洗涤，氮气吹干，得到纳米银修饰的氮化铝；
（3）混炼：
①、将硅橡胶基体置于双辊炼胶机中，在温度20℃-40℃、辊速18-24转/分钟、两辊间距0.4mm-1mm条件下，塑炼5-10分钟，使硅橡胶包辊；
②、之后向炼胶机中加入玻璃纤维、空心玻璃微珠和步骤（2）所得到的纳米银修饰的氮化铝，持续混炼20-50分钟；
③、然后向双辊炼胶机中加入乙烯基三乙氧基硅烷与羟基硅油，混炼30-40分钟，出料后冷却至室温，静置20-24小时，得到导热硅橡胶混炼胶；
（4）将步骤（3）所得到的混炼胶在双轴混炼机上薄通4-6次，薄通过程中加入双-2,5硫化剂，薄通出片后在160-190℃下高温模压硫化10-30分钟，得到成型好的片状硅胶材料；
（5）将步骤（4）所得到的成型好的片状硅胶材料在190-220℃下二次硫化3-5小时，得到一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料。
其中，所述的步骤（1）中多巴胺水溶液的浓度为1.5-2.5g/L。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）在水溶液中，多巴胺的邻苯二酚基团首先被氧化生成具有邻苯二醌结构的多巴胺醌化合物，继而发生反歧化反应产生半醌自由基，然后偶合形成交联键，同时在氮化铝表面形成紧密附着的聚多巴胺层，有效防止氮化铝发生水解，保障氮化铝优异的热导率，提高硅橡胶热界面材料的高导热散热性能。
（2）聚多巴胺表面的邻苯二酚基团和醌式基团对银离子具有络合作用，使银离子吸附在其表面，同时聚多巴胺利用表面酚羟基的氧化还原性将吸附的银离子原位化学还原成银纳米粒子固定在包覆氮化铝的聚多巴胺层表面，导热体系具有较高的致密性，用以填充硅橡胶使产品具有较高热导率，并同时具有良好的柔顺性、撕裂强度和电绝缘性能。
（3）另外以玻璃纤维布、空心玻璃微珠为增强材料，硅橡胶热界面材料传热性会提高，并且，玻璃纤维布还赋予橡胶优异的抗切割性能以及抗撕裂性能，在改善发泡硅橡胶材料的力学性能的同时，不失其质软和隔热等的特性。
具体实施方式
一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料，由以下重量份（公斤）的原料组成：硅橡胶基体65，氮化铝28，多巴胺22，20mmol/L的硝酸银溶液28，羟基硅油2，双-2,5硫化剂3，去离子水适量，Tris-HCl缓冲溶液适量，乙烯基三乙氧基硅烷2，玻璃纤维10，空心玻璃微珠4。
具体步骤如下：
（1）聚多巴胺功能修饰氮化铝的制备：
将氮化铝加入去离子水中，在超声容器中超声分散40分钟，然后加入多巴胺水溶液用磁力搅拌器搅拌均匀，用Tris-HCl缓冲溶液调节其pH值为8.5，在室温条件下搅样反应24小时过滤，去离子水洗涤至滤液变为无色，干燥箱中60℃干燥24小时，得到表面包覆聚多巴胺层的氮化铝；
（2）纳米银修饰的氮化铝的制备：
将步骤（1）得到的聚多巴胺功能修饰氮化铝浸入到20mmol/L的硝酸银溶液中，在搅拌状态下，反应9小时后离心，用去离子水洗涤，氮气吹干，得到纳米银修饰的氮化铝；
（3）混炼：
①、将硅橡胶基体置于双辊炼胶机中，在温度30℃、辊速20转/分钟、两辊间距0.5mm条件下，塑炼8分钟，使硅橡胶包辊；
②、之后向炼胶机中加入玻璃纤维、空心玻璃微珠和步骤（2）所得到的纳米银修饰的氮化铝，持续混炼40分钟；
③、然后向双辊炼胶机中加入乙烯基三乙氧基硅烷与羟基硅油，混炼35分钟，出料后冷却至室温，静置24小时，得到导热硅橡胶混炼胶；
（4）将步骤（3）所得到的混炼胶在双轴混炼机上薄通6次，薄通过程中加入双-2,5硫化剂，薄通出片后在170℃下高温模压硫化20分钟，得到成型好的片状硅胶材料；
（5）将步骤（4）所得到的成型好的片状硅胶材料在200℃下二次硫化4小时，得到一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料。
其中，步骤（1）中多巴胺水溶液的浓度为2g/L。
测试其性能数据如下：硬度50shore A；撕裂强度5.3kN/m；导热系数6.2W/(m·K)；体积电阻率>1013Ω·cm。

Claims (3)

1.一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：硅橡胶基体55-70份，氮化铝22-32份，多巴胺16-26份，20mmol/L的硝酸银溶液20-35份，羟基硅油1-3份，双-2,5硫化剂2-5份，去离子水适量，Tris-HCl缓冲溶液适量，乙烯基三乙氧基硅烷1-3份，玻璃纤维6-13份，空心玻璃微珠2-6份。
2.根据权利要求书1所述的一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）聚多巴胺功能修饰氮化铝的制备：
将氮化铝加入去离子水中，在超声容器中超声分散30-50分钟，然后加入多巴胺水溶液用磁力搅拌器搅拌均匀，用Tris-HCl缓冲溶液调节其pH值为8.5，在室温条件下搅样反应20-24小时过滤，去离子水洗涤至滤液变为无色，干燥箱中50-70℃干燥20-24小时，所得产品为表面包覆聚多巴胺层的氮化铝；
（2）纳米银修饰的氮化铝的制备：
将步骤（1）得到的聚多巴胺功能修饰氮化铝浸入到20mmol/L的硝酸银溶液中，在搅拌状态下，反应6-10小时后离心，用去离子水洗涤，氮气吹干，得到纳米银修饰的氮化铝；
（3）混炼：
①、将硅橡胶基体置于双辊炼胶机中，在温度20℃-40℃、辊速18-24转/分钟、两辊间距0.4mm-1mm条件下，塑炼5-10分钟，使硅橡胶包辊；
②、之后向炼胶机中加入玻璃纤维、空心玻璃微珠和步骤（2）所得到的纳米银修饰的氮化铝，持续混炼20-50分钟；
③、然后向双辊炼胶机中加入乙烯基三乙氧基硅烷与羟基硅油，混炼30-40分钟，出料后冷却至室温，静置20-24小时，得到导热硅橡胶混炼胶；
（4）将步骤（3）所得到的混炼胶在双轴混炼机上薄通4-6次，薄通过程中加入双-2,5硫化剂，薄通出片后在160-190℃下高温模压硫化10-30分钟，得到成型好的片状硅胶材料；
（5）将步骤（4）所得到的成型好的片状硅胶材料在190-220℃下二次硫化3-5小时，得到一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料。
3.根据权利要求书2所述的一种LED用玻璃纤维增强型高导热硅橡胶热界面材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中多巴胺水溶液的浓度为1.5-2.5g/L。
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