CN107652432A - 一种导热聚酰亚胺薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导热聚酰亚胺薄膜,该薄膜由聚酰亚胺基体、活化导热填料两部分组成,聚酰亚胺基体的质量分数为78~98wt%,活化导热填料的质量分数为2~22wt%;聚酰亚胺基体为芳香族二胺和芳香族二酐经缩聚反应制得;活化导热填料为经过硅烷偶联剂进行表面处理的填料。本发明还公开了导热聚酰亚胺薄膜的制备方法,称取导热填料加入到非质子性溶剂中,添加硅烷偶联剂,得悬浊液;往悬浮液中补加非质子性溶剂,加入芳香族二胺,搅拌使其溶解后,分批次加入等摩尔量芳香族二酐,搅拌,控温,制成聚酰胺酸复合溶液,采用溶液流涎法制成聚酰亚胺薄膜。本发明PI薄膜除具有良好导热性的同时,还保持有较高的力学性能和良好的绝缘性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域,涉及一种导热聚酰亚胺薄膜及其制备方法与用途。
背景技术
聚酰亚胺(PI)薄膜以其突出的耐高温、高强度、低介电等性能而广泛应用于电子、电气绝缘基材。尤其随着电子信息技术的飞速发展,超大规模集成电路器件的集成度越来越高,其特征尺寸不断缩小,运行速度起来赶快,使得电子器件和集成电器散发出大量的热量。热量的积聚即会严重影响电子器件和电路运行的稳定性,甚至会带来安全隐患。而常规用作电子电路绝缘基材的聚酰亚胺薄膜,其导热系数一般均低于0.2Wm-1K-1,所制备器件散热效果不理想。因此开发具有高导热性绝缘聚酰亚胺薄膜一直是聚酰亚胺薄膜产业及研究领域的重要课题。
发明内容
本发明的目的针对现有技术中的不足,提供一种导热聚酰亚胺薄膜。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种导热聚酰亚胺薄膜,该聚酰亚胺薄膜由聚酰亚胺基体、活化导热填料两部分组成。
在所述的导热聚酰亚胺薄膜中聚酰亚胺基体的质量分数为78~98wt%;活化导热填料的质量分数为2~22wt%。
所述的聚酰亚胺基体为芳香族二胺和芳香族二酐经缩聚反应制得。
所述的芳香族二胺为4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、3,4’-二氨基二苯醚、对苯二胺(p-PDA)、间苯二胺(m-PDA)、4,4’-二氨基二苯甲烷(MDA)、二氨基二苯甲酮、4,4’-二(4-氨基苯氧基)二苯砜(BAPS)、1,3’-双(3-氨基苯氧基)苯、4,4’-二(4-氨基苯氧基)二苯醚、二氨基二苯基砜、4,4’-二氨基-二苯氧基-4’,4-二苯基异丙烷中的一种或任意两种的混合物。
所述的芳香族二酐为均苯四甲酸二酐(PMDA)、3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、3,3',4,4'-二苯酮四甲酸二酐(BTDA)、4,4’-联苯醚二酐(ODPA)、异构二苯硫醚二酐(TDPA)中的一种或两种的混合物。
所述的活化导热填料为经过硅烷偶联剂进行表面处理的填料,硅烷偶联剂用量为导热填料总质量的0.1~1.0wt%,优选为0.2~0.5wt%。所述的硅烷偶联剂为商品化的硅烷偶联剂中的任何一种;优选为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
所述的导热填料为纳米氮化铝和石墨烯中的一种或两种的混合物;所述的纳米氮化铝的质量分数为2~20wt%;所述的石墨烯的质量分数为0~2wt%。所述的纳米氮化铝的粒径≤200纳米,优选为50~200nm。所述的石墨烯为层数≤5层的石墨烯。
优选的,所述的聚酰亚胺基体的质量分数为80~97.8wt%;活化导热填料的质量分数为2.2~20wt%。所述的纳米氮化铝的质量分数为2~18wt%;所述的石墨烯的质量分数为0.2~2wt%。
进一步优选的,所述的聚酰亚胺基体的质量分数为81~96wt%;活化导热填料的质量分数为4~19wt%。所述的纳米氮化铝的质量分数为3.8~18wt%;所述的石墨烯的质量分数为0.2~1wt%。
本发明的另一个目的在于提供一种导热聚酰亚胺薄膜的制备方法,包括以下步骤:
步骤(1)、称取导热填料氮化铝和/或石墨烯,加入到非质子性溶剂中,添加硅烷偶联剂,在高速搅拌的同时进行超声波分散,控制悬浊液质量浓度5~30%;
步骤(2)、将所得的悬浮液加入到聚酰胺酸聚合反应釜中,补加非质子性溶剂,控制温度在10~40℃,加入规定量的芳香族二胺,搅拌,待其完全溶解后,控制温度在50~60℃,分批次加入与芳香族二胺等摩尔量的芳香族二酐,并不断搅拌,制成均匀的黏度稳定的聚酰胺酸复合溶液,所述的聚酰胺酸复合溶液的质量浓度为15~25%;
步骤(3)、采用溶液流涎法将所得聚酰胺酸复合溶液制成聚酰亚胺薄膜。
步骤(1)中,所述的非质子性溶剂为N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
搅拌速度为2000r/min~4000r/min,超声波频率为20kHz~100kHz,功率为2000~6000kW,时间为15~60min。
本发明的技术原理:(1)、氮化铝是一种导热性能优良的绝缘导热填料,以其填充聚酰亚胺薄膜,在提高薄膜的导热性能的同时,不会降低薄膜的绝缘性能;(2)、考虑到氮化铝易水解,因此在分散过程中加入硅氧烷偶联剂对其表面进行包覆处理,一方面可以缓解氮化铝的水解作用;另一方面还可以促进氮化铝的均匀分散,提高其与聚酰亚胺基体间的相互作用,从而提高填充改性效果;(3)、石墨烯是高导热、高导电二维度材料,以其大量填充聚酰亚胺势必在改进导热性能的同时降低薄膜的绝缘性能,因此本发明仅添加少量石墨烯,利用石墨烯的二维大尺寸,使其充当氮化铝颗粒之间的桥梁作用,在不明显降低聚酰亚胺薄膜绝缘性能的同时,进一步提高薄膜的导热性能。
本发明所述的导热聚酰亚胺薄膜在电工、电子工业行业作为绝缘基材的应用,尤其是作为大规模集成电路的电子材料的应用。
本发明的有益效果:
(1)、本发明采用硅烷偶联剂对导热填料氮化铝进行处理,有效提高了氮化铝在PI基体中的均匀分散,并缓解了氮化铝的水解,提高了氮化铝的改性效果。所制备PI薄膜除具有良好导热性的同时,还保持有较高的力学性能和良好的绝缘性能。
(2)、本发明在体系中引入石墨烯,利用石墨烯的高导热,及其二维大尺寸效应对氮化铝颗粒的桥梁作用,从而进一步提高所制备PI薄膜的导热性。相对可大幅降低氮化铝的用量,缓解氮化铝对力学强度的负面影响;
(2)、氮化铝与石墨烯的复合填充,利用两者的协同作用可有效减少两者的填充量,缓解石墨烯对PI薄膜导电性能的负面影响,并维持薄膜的力学性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
(1)氮化铝悬浊液的制备
选用粒径200nm的氮化铝10.5kg,加入80kgN,N-二甲基乙酰胺中,并添加51gγ-氨丙基三乙氧基硅烷,在60kHz、6000kW的超声波分散条件下,以2000r/min速度充分搅拌30min,制成稳定的悬浊液。
(2)聚酰胺酸复合溶液的制备
将上述获得的悬浊液加入聚酰胺酸聚合反应釜中,补加120kg N,N-二甲基乙酰胺。控制温度在40℃,加入20kg ODA,进行机械搅拌,待其完全溶解后,分批次小量加入与二胺等摩尔比的PMDA 21.8kg,不断搅拌,并控制温度在60℃,使二胺和二酐充分反应制成黏度65000Pa·s的聚酰胺酸复合溶液。
(3)聚酰亚胺薄膜的制成
将上述得到的聚酰胺酸复合溶液在干净的无缝钢带上流涎成型,亚胺化温度为360℃,具体流涎操作方法,为本领域常规方法,即得高导热聚酰亚胺薄膜,经测试该薄膜导热系数达0.82W/(m·k)。
实施例2
(1)氮化铝、石墨烯悬浊液的制备
选用粒径50nm的氮化铝0.88kg,多层(3-5层)石墨烯0.87kg,加入到4.2kg N,N-二甲基乙酰胺中,并添加3.5g的γ-氨丙基三乙氧基硅烷,在100kHz、4000kW的超声波分散条件下,以2000r/min速度充分搅拌60min,制成稳定的悬浊液。
(2)聚酰胺酸复合溶液的制备
将上述获得的悬浊液加入聚酰胺酸聚合反应釜中,补加145.8kg N,N-二甲基乙酰胺。控制温度在40℃,加入20kg ODA,进行机械搅拌,待其完全溶解后,分批次小量加入与二胺等摩尔比的PMDA 21.8kg,不断搅拌,并控制温度在60℃,使二胺和二酐充分反应制成黏度73000Pa·s聚酰胺酸复合溶液。
(3)聚酰亚胺薄膜的制成
将上述得到的聚酰胺酸复合溶液在干净的无缝钢带上流涎成型,亚胺化温度为360℃,具体流涎操作方法,为本领域常规方法,即得高导热聚酰亚胺薄膜,经测试该薄膜导热系数为1.2W/(m·k)。
实施例3
(1)氮化铝、石墨烯悬浊液的制备
选用粒径100nm的氮化铝4.65kg,多层(3-5层)石墨烯0.24kg,加入到20kg N,N-二甲基乙酰胺中,并添加20gγ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷,在80kHz、4000kW的超声波分散条件下,以2000r/min速度充分搅拌40min,制成稳定的悬浊液。
(2)聚酰胺酸复合溶液的制备
将上述获得的悬浊液加入聚酰胺酸聚合反应釜中,补加120kg N,N-二甲基乙酰胺。控制温度在40℃,先加入16.02kg ODA和2.16kg m-PDA,进行机械搅拌,待其完全溶解后,分批次小量加入与二胺等摩尔比的二酐PMDA 17.45kg和s-BPDA 5.88kg,不断搅拌,并控制温度在55℃,使二胺和二酐充分反应制成黏度82000Pa·s的聚酰胺酸复合溶液。
(3)聚酰亚胺薄膜的制成
将上述得到的聚酰胺酸复合溶液在干净的无缝钢带上流涎成型,亚胺化温度为380℃,具体流涎操作方法,为本领域常规方法,即得高导热聚酰亚胺薄膜,经测试该薄膜导热系数为0.85W/(m·k)。
实施例4
(1)氮化铝、石墨烯悬浊液制备
选用粒径100nm的氮化铝2.5kg,多层(3-5层)石墨烯0.5kg,加入到55kg N,N-二甲基乙酰胺中,并添加6.0gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,在60kHz、2000kW的超声波分散条件下,以2000r/min速度充分搅拌40min,制成稳定的悬浊液。
(2)聚酰胺酸复合溶液的制备
将上述获得的悬浊液加入聚酰胺酸聚合反应釜中,补加205kg N,N-二甲基乙酰胺。控制温度在40℃,先加入12.01kg ODA和7.93kg MDA,进行机械搅拌,待其完全溶解后,分批次小量加入与二胺等摩尔比的二酐PMDA 13.09kg和s-BPDA 11.77kg,不断搅拌,并控制温度在60℃,使二胺和二酐充分反应制成黏度42000Pa·s的聚酰胺酸复合溶液。
(3)聚酰亚胺薄膜的制成
将上述得到的聚酰胺酸复合溶液在干净的无缝钢带上流涎成型,亚胺化温度为380℃,具体流涎操作方法,为本领域常规方法,即得高导热聚酰亚胺薄膜,经测试该薄膜导热系数为0.90W/(m·k)。
实施例5
相较于实施例1,在制备导热填料悬浊液时,不添加硅烷偶联剂,其他制备工艺一致,制备实施例5聚酰亚胺薄膜。
实施例6
相较于实施例2,在仅添加导热填料石墨烯、其它物料使用量不变的情况下,当石墨烯用量达到1.3kg时,所制备薄膜的导热性系数达到与实施例2相近的1.18W/(m·k)。
表1 实施例1-6制备的薄膜典型性能测试结果
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
拉伸强度MPa | 142 | 190 | 172 | 185 | 128 | 196 |
弹性模量MPa | 4562 | 3148 | 3680 | 3326 | 4485 | 3165 |
绝缘强度kV/mm | 210 | 68 | 175 | 158 | 186 | 32 |
导热系数W/(m·k) | 0.82 | 1.2 | 0.85 | 0.90 | 0.75 | 1.18 |
Claims (10)
1.一种导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于该聚酰亚胺薄膜由聚酰亚胺基体、活化导热填料两部分组成;在导热聚酰亚胺薄膜中聚酰亚胺基体的质量分数为78~98wt%;活化导热填料的质量分数为2~22wt%。
2.根据权利要求1所述的导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于所述的聚酰亚胺基体为芳香族二胺和芳香族二酐经缩聚反应制得。
3.根据权利要求1所述的导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于所述的活化导热填料为经过硅烷偶联剂进行表面处理的填料,硅烷偶联剂用量为导热填料总质量的0.1~1.0wt%,优选为0.2~0.5wt%。
4.根据权利要求1所述的导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于所述的导热填料为纳米氮化铝和石墨烯中的一种或两种的混合物;所述的纳米氮化铝的质量分数为2~20wt%,所述的石墨烯的质量分数为0~2wt%。
5.根据权利要求4所述导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于所述的纳米氮化铝的粒径≤200nm,优选为50~200nm;所述的石墨烯为层数≤5层的石墨烯。
6.根据权利要求1所述的导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于所述的聚酰亚胺基体的质量分数为80~97.8wt%;活化导热填料的质量分数为2.2~20wt%。
7.根据权利要求6所述的导热聚酰亚胺薄膜,其特征在于所述的活化导热填料为经过硅烷偶联剂进行表面处理的填料,所述的导热填料为纳米氮化铝和石墨烯中两种的混合物;所述的纳米氮化铝的质量分数为2~18wt%;所述的石墨烯的质量分数为0.2~2wt%。
8.权利要求1所述的导热聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤(1)、称取导热填料氮化铝和/或石墨烯,加入到非质子性溶剂中,添加硅烷偶联剂,在高速搅拌的同时进行超声波分散,控制悬浊液质量浓度5~30%;
步骤(2)、将所得的悬浮液加入到聚酰胺酸聚合反应釜中,补加非质子性溶剂,控制温度在10~40℃,加入规定量的芳香族二胺,搅拌,待其完全溶解后,控制温度在50~60℃,分批次加入与芳香族二胺等摩尔量的芳香族二酐,并不断搅拌,制成均匀的黏度稳定的聚酰胺酸复合溶液,所述的聚酰胺酸复合溶液的质量浓度为15~25%;
步骤(3)、采用溶液流涎法将所得聚酰胺酸复合溶液制成聚酰亚胺薄膜。
9.根据权利要求8所述的导热聚酰亚胺薄膜的制备方法,其特征在于所述的非质子性溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
10.权利要求1所述的导热聚酰亚胺薄膜在电工、电子工业行业作为绝缘基材的应用。
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