CN107325560A - 一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：含氢聚硅氧烷50份～60份；含氢聚硅氧烷10份～15份；有机蒙脱土5份～10份；N,N‑二甲基甲酰胺10份～15份；三乙基乙烯基硅烷5份～10份；催化剂1份～5份；固化剂1份～10份。本发明通过优化原料组成和配比，通过添加N,N‑二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷，利用其二者之间的协同作用，对含氢聚硅氧烷进行改性，以制得具有高的导热性以及优良的电绝缘性能的硅橡胶纳米复合材料。

Description

一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于合成材料领域，涉及一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
由于世界能源紧缺的出现，节能与开发新能源变得越来越重要，经济、环保、节电的白光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)在照明市场备受瞩目。LED具有体积小、环保、安全、光束集中且寿命长等优点，电能消耗仅为传统光源的1/10，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。
随着制造技术的不断发展和完善，功率型LED在发光效率、亮度和功率等性能都有了显著的提高，在制备功率型白光LED器件的过程中，除了芯片制造技术、荧光粉制造技术外，LED封装材料的性能对LED的出光率、亮度以及使用寿命也将产生影响。由于大功率LED只能将约5％-10％的输入功率转化为光能，而其余的转化为热能，如果LED的热能无法尽快散失，会对芯片及周围封装材料伤害极大，造成封装材料的碳化，在器件表面形成褐色覆盖层，使器件失效，甚至衍生出更多问题。因此要求封装材料具有很高的耐热性能和优良的综合性能。
近年来国际学术界普遍认为，提高封装材料散热能力是现在阶段高功率LED亟待解决的关键技术之一。现有纯的苯基硅橡胶无法满足其作为高导热性封装材料的需求，因此须对现有的苯基硅橡胶进行改性，以提高苯基硅橡胶的导热系数，目前提高有机硅封装材料导热性能最常用的也是较简单的方法是在其基体中掺入高导热填料，通过机械共混的方法进行填充改性。
国外半导体照明公司及主要的有机硅材料生产企业对于导热级有机硅封装材料展开了研究并申请了专利，而国内相关研究尚欠活跃。CN101343365A报道了采用氯硅烷与甲苯水解产物，在催化剂和封端剂的条件下，制备一种LED封装用甲基苯基乙烯基硅树脂的方法，该方法制备的材料折射率为1.48～1.54，R/Si为1.20～1.70(摩尔比)，相对甲苯粘度为1.4～6.8。CN103059301A报道了采用烷氧基硅烷和无毒萃取剂制备了一种LED封装用苯基硅含氢网状硅橡胶折光率为1.49～1.52，硅橡胶作为LED封装材料的基础胶，硅橡胶必须结构均匀，纯度高，高度透明且折射率大于1.5，并且需要具有优异的导热性能。而上述专利所制备的LED封装材料只注重了封装材料的折光率，而导热系数并不高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法。本发明通过优化原料组成和配比，通过添加N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷，利用其二者之间的协同作用，对含氢聚硅氧烷进行改性，以制得具有高的导热性以及优良的电绝缘性能的硅橡胶纳米复合材料。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种硅橡胶纳米复合材料，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
其中，含氢聚硅氧烷的重量份可为50份、52份、54份、56份、58份或60份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；含氢聚硅氧烷的重量份可为10份、11份、12份、13份、14份或15份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；有机蒙脱土的重量份可为5份、6份、7份、8份、9份或10份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；N,N-二甲基甲酰胺的重量份可为10份、11份、12份、13份、14份或15份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；三乙基乙烯基硅烷的重量份可为5份、6份、7份、8份、9份或10份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；催化剂的重量份可为1份、2份、3份、4份或5份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；固化剂的重量份可为1份、3份、5份、7份或10份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
作为本发明优选的技术方案，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
作为本发明优选的技术方案，所述固化剂为正硅酸四乙酯。
第二方面，本发明提供了上述硅橡胶纳米复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷与无水乙醇混合，超声分散，加入配方量的含氢聚硅氧烷和有机蒙脱土，恒温水浴下回流，冷却至室温，离心分离，再经烘干、研磨，即可得到混合物料A；
(2)将步骤(1)所得混合物料A加入配方量的苯基硅橡胶中，搅拌，混合分散；再加入催化剂和固化剂，搅拌使其混合分散，得到混合物B；
(3)将步骤(3)所得的混合物料B进行固化反应，即得到硅橡胶纳米复合材料。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)中所述N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷无水乙醇的体积比为1:(3～5)，例如1:3、1:4或1:5等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)中所述超声分散的时间为20～40min，例如20min、25min、30min、35min或40min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)中所述恒温水浴的温度为80℃～100℃，例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)中所述回流时间为1h～3h，例如1h、1.5h、2h、2.5h或3h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)中所述固化反应的真空度为110Pa～130Pa，例如110Pa、115Pa、120Pa、125Pa或130Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)中所述固化反应的温度为80℃～100℃，例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)中所述固化反应的时间为60min～80min，例如60min、65min、70min、75min或80min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过优化原料组成和配比，通过添加N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷，利用其二者之间的协同作用，对含氢聚硅氧烷进行改性，以制得具有高的导热性以及优良的电绝缘性能的硅橡胶纳米复合材料，其导热系数可达0.65W/m·k，介电常数达到3.5，体积电阻率达到6.7×1013Ω·cm。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
实施例1：
本实施例提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
其中，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡，所述固化剂为正硅酸四乙酯。
其制备方法为：
(1)将配方量的N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷与无水乙醇按体积比为1:4混合，超声分散30min，加入配方量的含氢聚硅氧烷和有机蒙脱土，在90℃下恒温水浴下回流2h，冷却至室温，离心分离，再经烘干、研磨，即可得到混合物料A；
(2)将步骤(1)所得混合物料A加入配方量的苯基硅橡胶中，搅拌，混合分散；再加入催化剂和固化剂，搅拌使其混合分散，得到混合物B；
(3)将步骤(3)所得的混合物料B在真空度120Pa，温度为90℃的条件下进行固化反应70min，即得到硅橡胶纳米复合材料。
本实施例制得的硅橡胶纳米复合材料的导热系数为0.67W/m·k，介电常数达到3.61，体积电阻率达到6.79×1013Ω·cm。
实施例2：
本实施例提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
其中，所述催化剂为辛酸亚锡，所述固化剂为正硅酸四乙酯。
其制备方法为：
(1)将配方量的N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷与无水乙醇按体积比为1:3混合，超声分散20min，加入配方量的含氢聚硅氧烷和有机蒙脱土，在80℃下恒温水浴下回流3h，冷却至室温，离心分离，再经烘干、研磨，即可得到混合物料A；
(2)将步骤(1)所得混合物料A加入配方量的苯基硅橡胶中，搅拌，混合分散；再加入催化剂和固化剂，搅拌使其混合分散，得到混合物B；
(3)将步骤(3)所得的混合物料B在真空度110Pa，温度为100℃的条件下进行固化反应80min，即得到硅橡胶纳米复合材料。
本实施例制得的硅橡胶纳米复合材料的导热系数为0.65W/m·k，介电常数达到3.56，体积电阻率达到6.82×1013Ω·cm。
实施例3：
本实施例提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
其中，所述催化剂为辛酸亚锡，所述固化剂为正硅酸四乙酯。
其制备方法为：
(1)将配方量的N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷与无水乙醇按体积比为1:5混合，超声分散40min，加入配方量的含氢聚硅氧烷和有机蒙脱土，在100℃下恒温水浴下回流1h，冷却至室温，离心分离，再经烘干、研磨，即可得到混合物料A；
(2)将步骤(1)所得混合物料A加入配方量的苯基硅橡胶中，搅拌，混合分散；再加入催化剂和固化剂，搅拌使其混合分散，得到混合物B；
(3)将步骤(3)所得的混合物料B在真空度130Pa，温度为80℃的条件下进行固化反应60min，即得到硅橡胶纳米复合材料。
本实施例制得的硅橡胶纳米复合材料的导热系数为0.66W/m·k，介电常数达到3.61，体积电阻率达到6.66×1013Ω·cm。
对比例1：
本对比例提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法，所述硅橡胶纳米复合材料中除了不添加N,N-二甲基甲酰胺外，其他物料用量与制备方法均与实施例1中相同。
本对比例制得的硅橡胶纳米复合材料的导热系数为0.46W/m·k，介电常数达到2.09，体积电阻率达到5.03×1013Ω·cm。
对比例2：
本对比例提供了一种硅橡胶纳米复合材料及其制备方法，所述硅橡胶纳米复合材料中除了不添加三乙基乙烯基硅烷外，其他物料用量与制备方法均与实施例1中相同。
本对比例制得的硅橡胶纳米复合材料的导热系数为037W/m·k，介电常数达到2.05，体积电阻率达到4.85×1013Ω·cm。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明通过优化原料组成和配比，通过添加N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷，利用其二者之间的协同作用，对含氢聚硅氧烷进行改性，以制得具有高的导热性以及优良的电绝缘性能的硅橡胶纳米复合材料，其导热系数可达0.65W/m·k，介电常数达到3.5，体积电阻率达到6.7×1013Ω·cm。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种硅橡胶纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
2.根据权利要求1所述的硅橡胶纳米复合材料，其特征在于，所述复合材料按重量份计由以下组分组成：
3.根据权利要求1或2所述的硅橡胶纳米复合材料，其特征在于，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
4.根据权利要求1-3任一项所述的硅橡胶纳米复合材料，其特征在于，所述固化剂为正硅酸四乙酯。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的硅橡胶纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将配方量的N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷与无水乙醇混合，超声分散，加入配方量的含氢聚硅氧烷和有机蒙脱土，恒温水浴下回流，冷却至室温，离心分离，再经烘干、研磨，即可得到混合物料A；
(2)将步骤(1)所得混合物料A加入配方量的苯基硅橡胶中，搅拌，混合分散；再加入催化剂和固化剂，搅拌使其混合分散，得到混合物B；
(3)将步骤(3)所得的混合物料B进行固化反应，即得到硅橡胶纳米复合材料。
6.根据权利要求5所述的的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述N,N-二甲基甲酰胺和三乙基乙烯基硅烷无水乙醇的体积比为1:(3～5)；
优选地，步骤(1)中所述超声分散的时间为20～40min；
优选地，步骤(1)中所述恒温水浴的温度为80℃～100℃；
优选地，步骤(1)中所述回流时间为1h～3h。
7.根据权利要求5或6所述的的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述固化反应的真空度为110Pa～130Pa；
优选地，步骤(3)中所述固化反应的温度为80℃～100℃；
优选地，步骤(3)中所述固化反应的时间为60min～80min。
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