CN106380853A - 一种球形氮化铝‑硅橡胶复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形氮化铝‑硅橡胶复合材料的制备方法，涉及电子电路基板和封装材料技术领域，是由聚硅氮烷改性的球形氮化铝和硅橡胶制备的高导热复合材料。本发明采用形状规则、尺寸分布均匀的球形氮化铝作为导热填充材料，可以通过调节氮化铝颗粒的尺寸、氮化铝颗粒的填充量来调控球形氮化铝‑硅橡胶复合材料的导热绝缘性能。

Description

一种球形氮化铝-硅橡胶复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及电子电路基板和封装材料技术领域，具体涉及一种球形氮化铝-硅橡胶复合材料的制备方法。
背景技术：
现代信息产业中电子、微电子和光电子元件的高功率化、高密度化、高集成化与高运行速度，迫切需要新一代的基板材料、封装材料和导热绝缘介质材料。电子元器件工作时，环境向高温方向迅速移动，、产生的热量也迅速增加。为了使电子元器件仍能高可靠性地工作，及时散热成为影响其使用寿命的关键性因素，而导热硅橡胶具有特殊优势。
纯硅橡胶的导热率仅有0.18W/mK，只有通过填充添加导热率高于硅橡胶的填料来提高硅橡胶的导热率。通常使用的导热绝缘填料主要有Al2O3、ZnO、MgO、BN、AlN、SiC、TiC等金属氧化物、氮化物和碳化物，这些无机填料兼具高热导率和良好的绝缘性能，使得填充制备的硅橡胶成为具有良好综合性能的导热绝缘材料。与其他导热绝缘填料相比，氮化铝粒子由于具有高导热系数(理论热导率为320W/mK)、高电阻率(电阻率大于1014Ωm)、较低的介电常数和介电损耗、低热膨胀系数(4.4×10-6K-1，与硅相近)和无毒等一系列优良特性而受到广泛研究，成为导热绝缘塑料的的理想材料。然而氮化铝易吸收空气中的水发生水解反应，使其表面包覆上一层氢氧化铝薄膜，导致导热通路中断且声子的传递受到影响，并且大含量填充的聚合物粘度会大大提高，不利于生成加工。为了克服上述问题，必须对氮化铝粒子进行表面改性以改善二者之间的界面结合问题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种工艺简单、成本低廉、适合工业化生产的高导热绝缘球形氮化铝-硅橡胶复合材料的制备方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种球形氮化铝-硅橡胶复合材料，是由聚硅氮烷(PSZ)改性的球形氮化铝和硅橡胶制备的高导热复合材料。
一种球形氮化铝-硅橡胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量比1:0.5～2.0:0.7～2.1:0.05～0.5:1.5～3.0称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127和1,2-环氧丙烷；
(2)常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液中，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将所得凝胶在60～100℃下干燥6～24h，然后将其在400～700℃的空气气氛中处理3～7h，再在1200～1600℃的氨气气氛中烧结2～6h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把制得的氮化铝粉体加入10～50wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍1～5h后过滤，再在150～210℃条件下干燥20～30h，最后在800～1600℃下热处理3h得到聚硅氮烷改性的球形氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料于双辊混炼机中混合均匀，80～130℃下热处理1～4h，再加入交联剂和催化剂，室温8～13MPa下模压2～10min成型，室温放置进行硫化；
所述填料由聚硅氮烷改性的球形氮化铝、阻燃剂和其它添加剂组成，其中球形氮化铝占110胶与填料总质量的10～60wt％。
所述步骤(3)所制球形氮化铝粉体的粒径为50nm～10μm。
本发明的有益效果是：本发明球形氮化铝填充的导热绝缘硅橡胶复合材料制备过程简单，制备周期短，成本低，非常适合工业化大规模生产。本发明采用形状规则、尺寸分布均匀的球形氮化铝作为导热填充材料，可以通过调节氮化铝颗粒的尺寸、氮化铝颗粒的填充量来调控球形氮化铝-硅橡胶复合材料的导热绝缘性能。
附图说明：
图1为本发明所制球形氮化铝粉体的电镜扫描图；
图2为不同质量分数球形氮化铝颗粒的硅橡胶导热系数。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1)按质量比六水合氯化铝:去离子水:乙醇:三嵌段共聚物F127:1,2-环氧丙烷＝1:0.9:1.6:0.16:1.9，称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127、1,2-环氧丙烷；
(2)在常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将凝胶在60℃下干燥24h，然后将其在500℃的空气气氛中处理5h，再在1300℃下烧结3h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把获得的氮化铝粉体加入10wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍2h后过滤，再在180℃的条件下干燥24h，最后在800℃的热处理下得到表面改性的氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料(30wt％PSZ包覆氮化铝微球、阻燃剂和其它添加剂)于双辊混炼机中混合均匀，100℃下热处理2h，加入交联剂和催化剂，室温10MPa下模压2min成型，室温放置进行硫化。
该球形氮化铝粉体的扫描电镜照片见图1，由图可见氮化铝微球形状规则，尺寸分布均匀。图2为不同质量分数的聚硅氮烷改性球形氮化铝填充的硅橡胶导热系数，表明氮化铝的填充使硅橡胶的导热系数有明显的提高。
实施例2
(1)按质量比六水合氯化铝:去离子水:乙醇:三嵌段共聚物F127:1,2-环氧丙烷＝1:0.9:1.6:0.2:2.1，称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127、1,2-环氧丙烷；
(2)在常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将凝胶在80℃下干燥15h，然后将其在600℃的空气气氛中处理4h，再在1400℃下烧结2h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把获得的氮化铝粉体加入10wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍2h后过滤，再在180℃的条件下干燥24h，最后在800℃的热处理下得到表面改性的氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料(30wt％PSZ包覆氮化铝微球、阻燃剂和其它添加剂)于双辊混炼机中混合均匀，100℃下热处理2h，加入交联剂和催化剂，室温10MPa下模压2min成型，室温放置进行硫化。
实施例3
(1)按质量比六水合氯化铝:去离子水:乙醇:三嵌段共聚物F127:1,2-环氧丙烷＝1:0.9:1.6:0.3:2.8，称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127、1,2-环氧丙烷；
(2)在常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将凝胶在90℃下干燥12h，然后将其在600℃的空气气氛中处理4h，再在1500℃下烧结2h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把获得的氮化铝粉体加入20wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍2h后过滤，再在180℃的条件下干燥24h，最后在1000℃的热处理下得到表面改性的氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料(30wt％PSZ包覆氮化铝微球、阻燃剂和其它添加剂)于双辊混炼机中混合均匀，100℃下热处理2h，加入交联剂和催化剂，室温10MPa下模压2min成型，室温放置进行硫化。
实施例4
(1)按质量比六水合氯化铝:去离子水:乙醇:三嵌段共聚物F127:1,2-环氧丙烷＝1:0.9:1.6:0.3:3，称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127、1,2-环氧丙烷；
(2)在常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将凝胶在100℃下干燥10h，然后将其在700℃的空气气氛中处理3h，再在1500℃下烧结2h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把获得的氮化铝粉体加入30wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍1h后过滤，再在180℃的条件下干燥24h，最后在1200℃的热处理下得到表面改性的氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料(40wt％PSZ包覆氮化铝微球、阻燃剂和其它添加剂)于双辊混炼机中混合均匀，110℃下热处理3h，加入交联剂和催化剂，室温10MPa下模压4min成型，室温放置进行硫化。
实施例5
(1)按质量比六水合氯化铝:去离子水:乙醇:三嵌段共聚物F127:1,2-环氧丙烷＝1:0.9:1.6:0.3:3，称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127、1,2-环氧丙烷；
(2)在常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将凝胶在100℃下干燥10h，然后将其在700℃的空气气氛中处理3h，再在1600℃下烧结2h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把获得的氮化铝粉体加入40wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍1h后过滤，再在180℃的条件下干燥26h，最后在1500℃的热处理下得到表面改性的氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料(50wt％PSZ包覆氮化铝微球、阻燃剂和其它添加剂)于双辊混炼机中混合均匀，120℃下热处理4h，加入交联剂和催化剂，室温10MPa下模压6min成型，室温放置进行硫化。
实施例6
(1)按质量比六水合氯化铝:去离子水:乙醇:三嵌段共聚物F127:1,2-环氧丙烷＝1:0.9:1.6:0.3:3，称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127、1,2-环氧丙烷；
(2)在常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将凝胶在100℃下干燥10h，然后将其在700℃的空气气氛中处理3h，再在1600℃下烧结2h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把获得的氮化铝粉体加入50wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍1h后过滤，再在200℃的条件下干燥28h，最后在1600℃的热处理下得到表面改性的氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料(60wt％PSZ包覆氮化铝微球、阻燃剂和其它添加剂)于双辊混炼机中混合均匀，120℃下热处理4h，加入交联剂和催化剂，室温10MPa下模压8min成型，室温放置进行硫化。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种球形氮化铝-硅橡胶复合材料，其特征在于：是由聚硅氮烷改性的球形氮化铝和硅橡胶制备的高导热复合材料。
2.一种球形氮化铝-硅橡胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按质量比1:0.5～2.0:0.7～2.1:0.05～0.5:1.5～3.0称取六水合氯化铝、去离子水、乙醇、三嵌段共聚物F127和1,2-环氧丙烷；
(2)常温下，将六水合氯化铝和三嵌段共聚物F127充分溶于去离子水和乙醇的混合液中，然后加入1,2-环氧丙烷，搅拌均匀、静置，得到白色凝胶；
(3)将所得凝胶在60～100℃下干燥6～24h，然后将其在400～700℃的空气气氛中处理3～7h，再在1200～1600℃的氨气气氛中烧结2～6h，得到球形氮化铝粉体；
(4)把制得的氮化铝粉体加入10～50wt％聚硅氮烷溶液中，浸渍1～5h后过滤，再在150～210℃条件下干燥20～30h，最后在800～1600℃下热处理3h得到聚硅氮烷改性的球形氮化铝；
(5)室温下将110胶和填料于双辊混炼机中混合均匀，80～130℃下热处理1～4h，再加入交联剂和催化剂，室温8～13MPa下模压2～10min成型，室温放置进行硫化；
所述填料由聚硅氮烷改性的球形氮化铝、阻燃剂和其它添加剂组成，其中球形氮化铝占110胶与填料总质量的10～60wt％。
3.根据权利要求2所述的球形氮化铝-硅橡胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)所制球形氮化铝粉体的粒径为50nm～10μm。
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