CN107674412A - 一种高导热聚合物基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高导热聚合物基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，属于功能材料技术领域。本发明利用聚偏氟乙烯吸附分散碳纳米管，再利用纳米片状氮化硼对碳纳米管隔离和分散，让二维氮化硼与一维碳纳米管形成有效搭接，在基体中形成良好的导热网络，再利用双螺杆挤出机来控制纳米片状氮化硼的取向分布，实现以低的逾渗阀值来完成导热网络的构建，提高材料的导热性能并最低限度的降低对机械性能的影响，有效改善基体的导热性能和热稳定性。

Description

一种高导热聚合物基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
随着微电子集成与组装技术的飞速发展和电力电气绝缘领域对高电压的越来越高的要求以及其他相关领域的飞速发展，电子元器件和逻辑电路的体积成千万倍地缩小，而工作频率急剧增加， 此时电子设备所产生的热量迅速积累和增加，工作环境温度也向高温方向迅速变化。为保证电子元器件长时间高可靠地正常工作，必须阻止工作温度的不断升高，因此及时散热能力就成为影响其使用寿命的重要因素，迫切需要研制高导热性能的聚合物材料。高分子材料的应用领域不断拓展，是因为通过对其结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。而且高分子绝缘材料独特的结构和易改性、易加工的特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。但是一般高分子材料都是热的不良导体，其导热系数一般都低于 0.5 Wm-1K-1。为满足微电子、电机电器、航天航空、军事装备等诸多制造业及高科技领域的发展需求，制备具有优良综合性能的高导热聚合物绝缘材料正成为该领域的研究热点，受到越来越多国内外研究同行的关注。
高导热聚合物基复合材料作为一种极具应用前景的功能材料，由于有着良好的热传导性能，因而在微电子、航空、航天、军事装备、电机电器等诸多制造业及高科技领域发挥着非常重要的作用。特别是近年来，随着电子集成技术高速发展，组装密度迅速提高，电子元件，逻辑电路体积成千上万倍地缩小，电子仪器及设备日益超轻、薄、短、小方向发展，在高频工作频率下，半导体工作热环境向高温方向迅速移动；此时，电子元器件产生的热量迅速积累和增加，要使元器件仍能正常地可靠地运行，及时地散热成为制约使用寿命的关键技术。因此随着电子元器件微型化、高性能化，要求材料对导热性能提出了更高要求。传统聚合物基复合材料导热性能差、热稳定性能差，因此，开发具有良好导热性能，同时又具有较高的介电性能和可加工性能的聚合物基复合材料对于促进微电子、航空航天、军事装备和电机电器等领域快速发展有着重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对传统聚合物基复合材料导热性能差、热稳定性能差的问题，提供了一种高导热聚合物基复合材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
1.一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，具体制备步骤为：
（1）取硼酸、尿素溶解在去离子水中，在60～65℃搅拌30～40min后蒸发至干，得前驱体；
（2）将前驱体置于马弗炉中，在氮气氛围下煅烧、酸洗、醇洗后干燥，得纳米片状氮化硼；
（3）将纳米片状氮化硼、碳纳米管超声分散在二甲基甲酰胺中，并与质量分数为10%聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺溶液混合均匀，去除二甲基甲酰胺后干燥，得导热填料；
（4）将导热填料与聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机中挤出造粒，再转入注塑机料桶中注塑压制成型，得导热聚合物基复合材料。
步骤（1）所述硼酸、尿素的质量比为2：3。
步骤（2）所述煅烧条件为在900～1000℃下煅烧5～6h。
步骤（3）或（4）所述纳米片状氮化硼、碳纳米管、聚偏氟乙烯、聚酰胺树脂的重量份为10～30份纳米片状氮化硼，2～3份碳纳米管，80～100份聚偏氟乙烯，100～120份聚酰胺树脂。
步骤（3）所述去除二甲基甲酰胺过程为加热至95～100℃，保温2～3h后转入干燥箱中，在70～80℃下干燥至恒重。
步骤（4）所述制备过程为加热至200～240℃熔融共混6～8min并挤出造粒，再转入注塑机料桶中，加热至200～240℃保持温度15～20min后注入预热至80～90℃模具中，在10～12MPa下压制成型
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
本发明利用聚偏氟乙烯吸附分散碳纳米管，再利用纳米片状氮化硼对碳纳米管隔离和分散，让二维氮化硼与一维碳纳米管形成有效搭接，在基体中形成良好的导热网络，再利用双螺杆挤出机来控制纳米片状氮化硼的取向分布，实现以低的逾渗阀值来完成导热网络的构建，提高材料的导热性能并最低限度的降低对机械性能的影响，有效改善基体的导热性能和热稳定性。
具体实施方式
称取60～80g硼酸加入500～800mL去离子水中，在50～60℃下，以300～400r/min搅拌20～30min，再加入90～120g尿素，并加热至60～65℃，搅拌30～40min后转入旋转蒸发仪中，在50～70℃下蒸发至干，得前驱体，将前驱体置于马弗炉中，在氮气氛围下，加热至900～1000℃煅烧5～6h，冷却至室温后，用质量分数为1%盐酸洗涤煅烧产物2～3次，再用无水乙醇洗涤2～3次后转入干燥箱中，在50～60℃下干燥10～12h，得纳米片状氮化硼，取10～30g纳米片状氮化硼，2～3g碳纳米管，加入200～300mL二甲基甲酰胺中，在50～60℃下超声分散1～2h，再加入800～1000g质量分数为10%聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺溶液中，继续超声分散1～2h后加热至95～100℃，保温2～3h后转入干燥箱中，在70～80℃下干燥至恒重，得导热填料，将导热填料与100～120g聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机中，加热至200～240℃熔融共混6～8min并挤出造粒，再转入注塑机料桶中，加热至200～240℃保持温度15～20min后注入预热至80～90℃模具中，在10～12MPa下压制成型，冷却至室温脱模，得高导热聚合物基复合材料。
实例1
称取60g硼酸加入500mL去离子水中，在50℃下，以300r/min搅拌20min，再加入90g尿素，并加热至60℃，搅拌30min后转入旋转蒸发仪中，在50℃下蒸发至干，得前驱体，将前驱体置于马弗炉中，在氮气氛围下，加热至900℃煅烧5h，冷却至室温后，用质量分数为1%盐酸洗涤煅烧产物2次，再用无水乙醇洗涤2次后转入干燥箱中，在50℃下干燥10h，得纳米片状氮化硼，取10g纳米片状氮化硼，2g碳纳米管，加入200mL二甲基甲酰胺中，在50℃下超声分散1h，再加入800g质量分数为10%聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺溶液中，继续超声分散1h后加热至95℃，保温2h后转入干燥箱中，在70℃下干燥至恒重，得导热填料，将导热填料与100g聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机中，加热至200℃熔融共混6min并挤出造粒，再转入注塑机料桶中，加热至200℃保持温度15min后注入预热至80℃模具中，在10MPa下压制成型，冷却至室温脱模，得高导热聚合物基复合材料。
实例2
称取70g硼酸加入650mL去离子水中，在55℃下，以350r/min搅拌25min，再加入105g尿素，并加热至62℃，搅拌35min后转入旋转蒸发仪中，在60℃下蒸发至干，得前驱体，将前驱体置于马弗炉中，在氮气氛围下，加热至950℃煅烧5h，冷却至室温后，用质量分数为1%盐酸洗涤煅烧产物2次，再用无水乙醇洗涤2次后转入干燥箱中，在55℃下干燥11h，得纳米片状氮化硼，取20g纳米片状氮化硼，2.5g碳纳米管，加入250mL二甲基甲酰胺中，在55℃下超声分散1h，再加入900g质量分数为10%聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺溶液中，继续超声分散1h后加热至97℃，保温2h后转入干燥箱中，在75℃下干燥至恒重，得导热填料，将导热填料与110g聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机中，加热至220℃熔融共混7min并挤出造粒，再转入注塑机料桶中，加热至220℃保持温度17min后注入预热至85℃模具中，在11MPa下压制成型，冷却至室温脱模，得高导热聚合物基复合材料。
实例3
称取80g硼酸加入00mL去离子水中，在60℃下，以400r/min搅拌30min，再加入120g尿素，并加热至65℃，搅拌40min后转入旋转蒸发仪中，在70℃下蒸发至干，得前驱体，将前驱体置于马弗炉中，在氮气氛围下，加热至1000℃煅烧6h，冷却至室温后，用质量分数为1%盐酸洗涤煅烧产物3次，再用无水乙醇洗涤3次后转入干燥箱中，在60℃下干燥12h，得纳米片状氮化硼，取30g纳米片状氮化硼，3g碳纳米管，加入300mL二甲基甲酰胺中，在60℃下超声分散2h，再加入1000g质量分数为10%聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺溶液中，继续超声分散2h后加热至100℃，保温3h后转入干燥箱中，在80℃下干燥至恒重，得导热填料，将导热填料与120g聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机中，加热至240℃熔融共混8min并挤出造粒，再转入注塑机料桶中，加热至240℃保持温度20min后注入预热至90℃模具中，在2MPa下压制成型，冷却至室温脱模，得高导热聚合物基复合材料。
将制备得的一种高导热聚合物基复合材料及润杰科技公司生产的聚合物基复合材料进行检测，具体检测如下：
（1）导热系数测试
利用激光导热仪，根据 ASTM E1461 标准来进行测试，所有测试样品均为直径 12.6mm的圆柱，厚度约为 1 mm。所有样品的两个表面都是平整光滑的，并在测试前在样品表面均匀喷涂上薄石墨层。导热系数的计算公式如下式所示：
λ=α×CP×ρ
其中λ 是样品的导热系数， α是样品的热扩散系数，CP是样品的比热， ρ是按照公式计算得出的样品的密度。
（2）热失重测试
纳米粉体及环氧复合材料的热失重分析由德国NETZSCH公司的TG-209 F3热失重分析仪测试。升温速率为 20 ℃/min，气体流速为 20 mL/min，扫描温度范围从室温到 800 ℃，分别在氮气或空气气氛下测试，样品重约 10 mg。
具体测试结果如表1。
表1高导热聚合物基复合材料性能表征
由表1可知，本发明制得的一种高导热聚合物基复合材料有效改善基体的导热性能和热稳定性。

Claims (6)

1.一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：
（1）取硼酸、尿素溶解在去离子水中，在60～65℃搅拌30～40min后蒸发至干，得前驱体；
（2）将前驱体置于马弗炉中，在氮气氛围下煅烧、酸洗、醇洗后干燥，得纳米片状氮化硼；
（3）将纳米片状氮化硼、碳纳米管超声分散在二甲基甲酰胺中，并与质量分数为10%聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺溶液混合均匀，去除二甲基甲酰胺后干燥，得导热填料；
（4）将导热填料与聚酰胺树脂混合加入双螺杆挤出机中挤出造粒，再转入注塑机料桶中注塑压制成型，得导热聚合物基复合材料。
2.如权利要求1所述的一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述硼酸、尿素的质量比为2：3。
3.如权利要求1所述的一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述煅烧条件为在900～1000℃下煅烧5～6h。
4.如权利要求1所述的一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）或（4）所述纳米片状氮化硼、碳纳米管、聚偏氟乙烯、聚酰胺树脂的重量份为10～30份纳米片状氮化硼，2～3份碳纳米管，80～100份聚偏氟乙烯，100～120份聚酰胺树脂。
5.如权利要求1所述的一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述去除二甲基甲酰胺过程为加热至95～100℃，保温2～3h后转入干燥箱中，在70～80℃下干燥至恒重。
6.如权利要求1所述的一种高导热聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述制备过程为加热至200～240℃熔融共混6～8min并挤出造粒，再转入注塑机料桶中，加热至200～240℃保持温度15～20min后注入预热至80～90℃模具中，在10～12MPa下压制成型。
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