CN107298433B - 一种抗水化氮化铝粉体及其制备方法 - Google Patents

一种抗水化氮化铝粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗水化氮化铝粉体及其制备方法，所述方法包括：将氮化铝粉体、磷酸、蓖麻油磷酸酯、分散剂和无水乙醇球磨混合，再经清洗、干燥，得到所述抗水化氮化铝粉体；所述磷酸的质量为氮化铝粉体的0.1～10 wt.%，所述蓖麻油磷酸酯的质量为氮化铝粉体的0.1～5 wt.%。本发明选用的麻油磷酸酯除了拥有亲水基团酯基和羧基外，还具有长的碳链，属于疏水基团，因而其拥有表面活性剂所应有的结构，从而形成更加有效的抗水化保护层。

Description

一种抗水化氮化铝粉体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗水化氮化铝粉体及其制备方法，属于材料类陶瓷技术领域。
背景技术
氮化铝陶瓷是一种新型高导热材料，单晶理论热导率高达320W·m-1·K-1，并且还具有强度高，电阻率低，介电损耗低，热膨胀系数与硅匹配的特性，已经发展成为新一代的陶瓷电子基板和半导体封装材料，因此研究氮化铝陶瓷对于电子集成电路等领域的发展具有重要意义。
但是在潮湿的环境下，氮化铝粉体极易与水发生反应，在氮化铝粉体的表面形成氧化层，从而提高了氮化铝的晶格氧含量，最终不利于氮化铝陶瓷热导率的提升。另一方面，氮化铝粉体的水解行为也阻碍了氮化铝陶瓷水基成型工艺的发展，而非水基成型工艺成本高，对环境和人体有不利影响。所以，提高氮化铝粉体的抗水化性能显得尤为重要。目前，对于氮化铝粉体的抗水化性能已有相关的研究。如顾明元等人提出使用四乙氧基硅烷溶液对氮化铝进行浸泡处理，以提升粉体的抗水化性能；雒晓军等人提出用单一磷酸对氮化铝粉体进行处理，以提高其耐水解性能；李远强等人研究了热处理对氮化铝粉体抗水化性能的影响。这些方法均能改善氮化铝粉体的抗水化能力，但是存在一定的缺陷。如采用单一的磷酸处理，氮化铝粉体的抗水化效果不是很好，并且酸性条件会影响水基氮化铝浆料的流动性；而热处理会显著增加粉体中的氧含量，不利于热导率的提升。
发明内容
针对上述氮化铝的水解问题和水基成型工艺问题，本发明的目的在于提供一种制备方法简单，抗水化性能显著的氮化铝粉体及其制备方法。
一方面，本发明提供了一种抗水化氮化铝粉体的制备方法，将氮化铝粉体、磷酸、蓖麻油磷酸酯、分散剂和无水乙醇球磨混合，再经清洗、干燥，得到抗水化氮化铝粉体；
所述磷酸的质量为氮化铝粉体的0.1～10wt.％，所述蓖麻油磷酸酯的质量为氮化铝粉体的0.1～5wt.％。
本发明以氮化铝粉体、磷酸、蓖麻油磷酸酯为原料，在球磨过程中，磷酸和蓖麻油磷酸酯中的羧基可以与氮化铝粉体表面存在的羟基发生反应生成保护层(羧基与羟基的酯化反应)包覆在氮化铝粉体的表面，阻止其水解。此外，蓖麻油磷酸酯除了拥有亲水基团酯基和羧基外，还具有长的碳链，属于疏水基团，因而其拥有表面活性剂所应有的结构，从而形成更加有效的抗水化保护层。
较佳地，所述无水乙醇与氮化铝粉体原料质量比为(0.8～1):1。
较佳地，所述氮化铝粉体的平均粒径为0.5～3μm。
较佳地，所述分散剂为多元醇、柠檬酸、聚丙烯酸、鲱鱼油和聚乙烯亚胺中的至少一种，加入量为氮化铝粉体的0.1～1wt.％。
较佳地，所述球磨的转速为180～380r/min，时间为1～6小时。
较佳地，所述球磨所用的球料比为1:1～10:1，球磨用球为玛瑙球、氧化锆球、碳化硅球、氮化硅球和氧化铝球中的一种。
较佳地，所述清洗所用的有机溶剂为醇或酮，优选为乙醇、丙酮或丁酮。
较佳地，所述干燥的温度为60～100℃，时间为12～24小时。
另一方面，本发明还提供了一种根据上述方法制备的抗水化氮化铝粉体。
与现有技术相比，本发明具有以下增益效果：
1.采用球磨工艺，制备过程简单，并且能够保证原料之间充分的反应，进一步提高氮化铝粉体的抗水化性能；
2.本发明所制备的氮化铝粉体抗水化性能优异，在70℃水中浸泡24h后，悬浮液的pH变化很小，在氮化铝粉体储存和水基成型工艺中具有显著的应用价值；
3.本发明所制备的氮化铝粉体更加有效的抗水化保护层，其在水中的氮含量变化更小，易于长时间存放；
4.本方法工艺简单，成本低，对环境影响较小。
附图说明
图1为改性前后氮化铝粉体70℃悬浮液的pH图；
图2为改性前后氮化铝粉体在70℃水中浸泡后的氮含量。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明利用表面改性技术对氮化铝粉体进行处理，防止氮化铝粉体在潮湿的环境以及水溶液中水解，提高氮化铝粉体的抗水化能力。具体来说，所述抗水化氮化铝粉体是由氮化铝粉体原料与磷酸、蓖麻油磷酸酯和无水乙醇混合制备而成。
本发明中所述方法成本低廉，操作简单，又能够有效提高氮化铝粉体抗水化性能。以下示例性地说明本发明提供的抗水化氮化铝粉体的制备方法。
将氮化铝粉体与磷酸、蓖麻油磷酸酯、分散剂和无水乙醇混合，通过球磨获得分散均匀的浆料。应注意，本发明中上述各组分的加入顺序不分先后。其中以氮化铝粉体原料的质量作为基准，磷酸含量可为氮化铝粉体原料质量的0.1～10wt.％。蓖麻油磷酸酯含量可为氮化铝粉体原料质量的0.1～5wt.％。无水乙醇与氮化铝粉体原料质量比可为0.8:1～1:1。所述的氮化铝粉体原料是商业化的原料，平均粒径在0.5～3μm之间。其中球磨所用的球料比可为1:1～10:1，球磨用球为玛瑙球、氧化锆球、碳化硅球、氮化硅球、氧化铝球中的一种。球磨的转速可为180～380r/min，球磨时间可为1～6小时。所述的分散剂可选自多元醇、柠檬酸、聚丙烯酸、鲱鱼油、聚乙烯亚胺中的至少一种。所述分散剂的加入量可为氮化铝粉体原料的0.1wt.％～1wt.％。
使用醇或酮溶剂清洗所得的浆料，以去除多余的蓖麻油磷酸酯和磷酸。用于清洗浆料的醇或酮溶剂可以是乙醇、丙酮、丁酮等有机溶剂。
对所得的浆料进行干燥，即得到所述的抗水化氮化铝粉体。所述干燥的温度为60-100℃，干燥时间为12～24h。所述干燥的方式包括但不限于真空烘干。
总的来说，本发明将氮化铝粉体原料与磷酸、蓖麻油磷酸酯和无水乙醇混合，加入合适的分散剂，再经过球磨混合，使用醇或酮溶剂多次清洗，再将清洗后的氮化铝粉体在60～100℃烘干，从而得到抗水化能力较强的氮化铝粉体。本发明中，蓖麻油磷酸酯不仅含有羧基还有酯基，拥有更多的亲水基团，一定程度上增强水基氮化铝浆料的流动性。而且本发明中分散剂的存在能够有效降低酸性条件的不利影响。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
将氮化铝粉体原料100g、磷酸1.5g、蓖麻油磷酸酯1.5g、无水乙醇80g加入到球磨罐中，加入0.2g鲱鱼油作为分散剂，使用氧化锆球作为研磨球，球料比2:1，球磨转速200r/min，球磨时间2h。将所得浆料用乙醇溶剂清洗3次，放在真空干燥箱中70℃干燥24h，即得到抗水化的氮化铝粉体。将本实施例得到的氮化铝粉体，按照2wt.％的质量分数分散于70℃的水中，测量悬浮液的pH随时间的变化，同时以未改性的氮化铝粉体作为对比。图1即为氮化铝的水化行为曲线图，可以看出1h之后，未改性的氮化铝粉体出现明显的水化行为，而经过改性后的氮化铝粉体(即，本实施例1制备的氮化铝粉体)，在经过24h后，基本没有发生水化行为，说明具有良好的抗水化能力。
实施例2
将氮化铝粉体原料100g、磷酸2.5g、蓖麻油磷酸酯1.8g、无水乙醇85g加入到球磨罐中，加入0.5g聚丙烯酸作为分散剂，使用玛瑙球作为研磨球，球料比3:1，球磨转速220r/min，球磨时间3h。将所得浆料用丙醇溶剂清洗3次，放在真空干燥箱中80℃干燥18h，即得到抗水化的氮化铝粉体。
实施例3
将氮化铝粉体原料100g、磷酸4.5g、蓖麻油磷酸酯2.5g、无水乙醇100g加入到球磨罐中，加入0.8g聚乙烯亚胺作为分散剂，使用氧化锆球作为研磨球，球料比1:1，球磨转速280r/min，球磨时间1h。将所得浆料用丁酮溶剂清洗3次，放在真空干燥箱中100℃干燥12h，即得到抗水化的氮化铝粉体。
对比例1
将氮化铝粉体原料100g、磷酸1.5g、磷酸二氢铝1.5g、无水乙醇80g加入到球磨罐中，加入0.2g鲱鱼油作为分散剂，使用氧化锆球作为研磨球，球料比2:1，球磨转速200r/min，球磨时间2h。将所得浆料用乙醇溶剂清洗3次，放在真空干燥箱中70℃干燥24h，即得到抗水化的氮化铝粉体。
图2为改性前后氮化铝粉体在70℃水中浸泡后的氮含量，从图2中可知改性前氮化铝粉体在70℃水浸泡后，其氮含量变化最大；虽然对比例1中所制备的氮化铝粉体具有相应抗水化能力，但是其氮含量在60小时后变化很明显；而本发明实施例1制备的氮化铝粉体相对于对比例1，60小时内氮含量变化更小，且保护时间更长，进一步说明本发明采用蓖麻油磷酸酯形成更加有效的抗水化保护层，其抗水化能力更强。

Claims (10)

1.一种抗水化氮化铝粉体的制备方法，其特征在于，将氮化铝粉体、磷酸、蓖麻油磷酸酯、分散剂和无水乙醇球磨混合，再经清洗、干燥，得到所述抗水化氮化铝粉体；
所述磷酸的质量为氮化铝粉体的0.1～10 wt.%，所述蓖麻油磷酸酯的质量为氮化铝粉体的0.1～5 wt.%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无水乙醇与氮化铝粉体原料质量比为（0.8～1）:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化铝粉体的平均粒径为0.5～3μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散剂为多元醇、柠檬酸、聚丙烯酸、鲱鱼油和聚乙烯亚胺中的至少一种，加入量为氮化铝粉体的0.1～1 wt.%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球磨的转速为180～380 r/min，时间为1～6小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球磨所用的球料比为1:1～10:1，球磨用球为玛瑙球、氧化锆球、碳化硅球、氮化硅球和氧化铝球中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清洗所用的有机溶剂为醇或酮。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述清洗所用的有机溶剂为乙醇、丙酮或丁酮。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述干燥的温度为60～100℃，时间为12～24小时。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述方法制备的抗水化氮化铝粉体。
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