CN108504016A - 一种导热垫片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导热垫片及其制备方法，该方法包括如下步骤：(1)将高分子聚合物、石墨烯、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、阻燃剂、溶剂等进行混合得到组合物；(2)上述组合物经成膜及固化后得到高度定向的片状石墨烯一次片材，一次片材内部均匀分布有片状石墨烯，片状石墨烯的片状表面平行于一次片材上表面和下表面；(3)将上述一次片材层叠在模具中通过加热加压形成具有多层结构的成型体；(4)将所述多层结构的成型体沿着与多层结构上下表面垂直的方向切割成一定厚度的导热垫片。本发明的导热垫片中的片状石墨烯的排列方向是高度定向的，因而获得的导热垫片具有较高的导热取向性，提高了导热垫片垂直方向的导热系数。

Description

一种导热垫片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于散热器件的具有导热功能的导热垫片及其制备方法，适用于各类热源发生器与散热器之间通过导热垫片进行导热连接。

背景技术

热传导一直是电子工业中的一项重要工艺，元器件的工作温度常常是可靠性的重要依据。特别是微电子的组装越来越密集化，其工作环境急剧向高温方向变化，散热问题也就成为电子产品设计中至关重要的考虑因素。为了更有效地散热，借助导热垫片材将各类热源发生器安装在散热器上。作为导热垫片，广泛使用将导热填料等填充材料分散含在有机硅中的导热垫片。

在这种散热部件中，需求更进一步地提高导热率。目前的导热垫片普遍存在导热系数低、耐温性差等缺陷，对于高散热环境适应性差。以高导热性为目的，一般通过提高基质内混合各向同性的导热填料填充率来进行应对。比如氧化铝、氮化铝、氧化镁、氧化锌等。然而，如果提高导热填料的填充率，则有可能会损害柔韧性，或者由于导热填料填充率较高而产生粉化现象，因此，提高无机填料的填充率是有限的，难以满足电子设备散热的需要。另外，以高导热率为目的，存在向基质内填充高导热碳纤维、碳纳米管并采用强磁场定向等做法，这是基于碳纤维、碳纳米管所具有的导热率的各向异性，但是受碳纤维及碳纳米管与基体相容性、物料粘度、磁场强度、磁场均匀性等影响使得定向效果并不理想，碳纤维、碳纳米管定向导热垫片使用ASTM-D5470导热系数测试标准检测的导热系数只能达到10W/(m·K)，且高导热碳纤维、碳纳米管等材料和磁场发生装置非常昂贵，生产成本高。

石墨烯自2004年被发现以来就作为一种新型碳材料而备受关注。由于石墨烯本身具有优异的导热能力，其片层平面方向热导率高达5000W/(m·K)，并且有良好的热稳定性。而且除了有高的热导率值，石墨烯的二维片状结构，与基体材料的强耦合及低成本，都使得石墨烯成为一种理想的轻质、高效热管理材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种导热垫片及其制备方法，以减少或避免前面所提到的问题。

具体来说，本发明的目的是提供一种工艺简单，操作安全，成本低的片状石墨烯高度定向导热垫片，具有较高的导热系数，适用于各类热源发生器与散热器之间通过导热垫片进行导热连接。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种导热垫片，用于设置于热源发生器与散热器之间通过所述导热垫片进行导热连接，所述导热垫片中的片状石墨烯的排列方向是高度定向的，片状石墨烯都垂直于导热垫片的厚度方向，因而获得的导热垫片具有较高的导热取向性，避免了杂乱排列的导热颗粒的导热损耗，减少了片状导热填料的卡片搭桥结构，提高了导热垫片垂直方向的导热系数。

优选地，所述导热垫片由高分子聚合物、石墨烯、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、阻燃剂、溶剂等为原料制成。

优选地，所述导热垫片由如下质量份的原料制成：高分子聚合物：100份；石墨烯：20-500份；表面改性剂：0.02-5份；流变改性剂：0.02-5份；抗氧剂：0.01-1份；阻燃剂：0.1-10份，溶剂：100-1000份。

优选地，所述高分子聚合物为天然橡胶、硅橡胶、硅凝胶、丁苯橡胶、聚异丁烯橡胶、丙烯酸橡胶、丙烯酸酯共聚树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚树脂、聚氨酯橡胶、聚乙烯基醚树脂之一或其混合物。

优选地，所述表面改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸之一或其混合物。

优选地，所述流变改性剂为膨润土、有机粘土、二氧化硅、纤维素之一或其混合物。

优选地，所述石墨烯为二维片状结构，为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯之一或其混合物，片状平均直径为0.2～50μm，片状厚度＜10nm，其使用前需使用所述表面改性剂进行表面改性处理。

本发明还提供了一种上述导热垫片的制备方法，包括如下步骤：

以高分子聚合物、石墨烯、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、阻燃剂、溶剂为原料按照比例均匀混合形成流延料组合物；

采用逗号辊涂布或平板膜刮膜机将流延料组合物涂膜流延并固化后得到0.005-0.5mm厚高度定向的片状石墨烯一次片材，所述一次片材具有相互平行的上表面和下表面，所述一次片材内部均匀分布有片状石墨烯，所述片状石墨烯的片状表面平行于所述一次片材上表面和下表面；

将上述一次片材层叠在模具中并通过加热加压而形成具有多层结构的成型体，模压的主要目的是通过高分子聚合物提供粘接而消除一次片材层与层之间的界面，加热温度优选80℃-250℃，压力优选0.5MPa-50MPa；

将所述多层结构的成型体沿着与多层结构上下表面垂直的方向切割成0.1-5mm厚度的导热垫片。

本发明提供的导热垫片中的片状石墨烯的排列方向是高度定向的，片状石墨烯填料都垂直于导热垫片的厚度方向，因而获得的导热垫片具有较高的导热取向性，提高了导热垫片垂直方向的导热系数。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是导热垫片制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

正如背景技术所述，为了提高导热垫片的导热性能，本发明提供了一种改进的导热垫片的结构及其制备方法，如图1所示，本发明的用于设置于热源发生器与散热器之间通过所述导热垫片进行导热连接，该方法包括如下步骤：(1)将高分子聚合物、石墨烯、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、阻燃剂、溶剂等进行混合得到流延料组合物；(2)采用逗号辊涂布或平板膜刮膜机将上述流延料组合物经成膜及固化后得到高度定向的片状石墨烯一次片材1(所述片状石墨烯一次片材1例如为0.005-0.5mm厚)，所述一次片材1具有相互平行的上表面和下表面，所述一次片材内部均匀分布有片状石墨烯1a，所述片状石墨烯1a的片状表面平行于所述一次片材上表面和下表面；(3)将上述一次片材1层叠在模具中并通过加热加压而形成具有多层结构的成型体2，模压的主要目的是通过高分子聚合物提供粘接而消除一次片材层与层之间的界面，加热温度优选80℃-250℃，压力优选0.5MPa-50MPa；(4)将所述多层结构的成型体2沿着与多层结构上下表面垂直的方向切割成一定厚度的导热垫片3(例如厚度为0.1-5mm)。本发明所提供的上述导热垫片可以是直接用于产品导热连接用的成品或者半成品，即，其可以直接与离型纸配合包装的导热垫片，也可以是生产出来的半成品经过模切后与离型纸配合包装的导热垫片。

其中，所述高分子聚合物可为天然橡胶、硅橡胶、硅凝胶、丁苯橡胶、聚异丁烯橡胶、丙烯酸橡胶、丙烯酸酯共聚树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚树脂、聚氨酯橡胶、聚乙烯基醚树脂之一或其混合物。

所述石墨烯可为二维片状结构，为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯之一或其混合物，片状平均直径为0.2～50μm，片状厚度＜10nm，其使用前需使用所述表面改性剂进行表面改性处理。

所述表面改性剂可为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸之一或其混合物。

所述流变改性剂可为膨润土、有机粘土、二氧化硅、纤维素之一或其混合物。

所述抗氧剂可采用广泛应用于通用塑料，工程塑料，合成橡胶，纤维，热熔胶，树脂，油品，墨水，涂料等行业中的任何一种抗氧剂，例如芳香胺类抗氧剂，受阻酚类抗氧剂，抗氧剂1010(四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)，双十二碳醇酯、双十四碳醇酯和双十八碳醇酯等。

所述阻燃剂可采用广泛应用于通用塑料，工程塑料，合成橡胶，纤维，热熔胶，树脂，油品，墨水，涂料等行业中的任何一种阻燃剂，例如三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝，硅系等。

所述溶剂可采用一种或多种有机溶剂的混合溶液，例如甲苯，乙酸乙酯或二者的混合物等，例如甲苯：乙酸乙酯＝1：2的溶液等。

与现有技术不同的是，本发明的导热垫片中，均匀混合填充的是片状的石墨烯导热填料，而不是圆形或其它形状的导热填料。其次，与各向异性的碳纤维、碳纳米管相比，石墨烯与高分子聚合物基体具有强耦合及低成本。再次，与现有利用各向异性碳纤维、碳纳米管制备高度定向导热垫片相比，本发明不需要昂贵的磁场发生装置。最后，本发明的导热垫片中的片状石墨烯的片状表面都垂直于导热垫片的厚度方向。也就是说，本发明提供的导热垫片中的片状石墨烯的排列方向是高度定向的，片状石墨烯都垂直于导热垫片的厚度方向，因而获得的导热垫片具有较高的导热取向性，避免了杂乱排列的导热颗粒的导热损耗，减少了片状导热填料的卡片搭桥结构，提高了导热垫片垂直方向的导热系数。

实施例1

原料：按质量份物料进行配料，丙烯酸酯共聚树脂100份；石墨烯50份；硅烷偶联剂0.05份；二氧化硅2份；抗氧剂1010 0.5份；阻燃剂三氧化二锑1份；溶剂甲苯：乙酸乙酯＝1：2溶液300份。

首先用硅烷偶联剂对石墨烯进行表面改性处理，改性后的石墨烯与其它原料经搅拌混合得到流延料组合物、然后利用平板膜刮膜机(或逗号辊涂布)将流延料组合物涂膜流延得到一定厚度的流延片，再将其放入干燥机中在50-100℃下干燥、固化成型5-20min后得到高度定向的0.15mm厚的片状石墨烯一次片材，所述一次片材具有相互平行的上表面和下表面，所述一次片材内部均匀分布有片状石墨烯，所述片状石墨烯的片状表面平行于所述一次片材上表面和下表面，这是因为在刮膜过程中,只要片状石墨烯与物料涂膜挤出方向不平行，片状石墨烯就会受到不平衡力的作用。片状石墨烯在这种不平衡力的作用下,在被挤出的同时就会发生转动,直至片状石墨烯片材平面与挤出方向一致。将上述一次片材层叠在100mm*50mm*50mm模具中并通过在120℃、3MPa压力下压制10-30min，自然冷却后制成具有多层结构的成型体，模压的主要目的是通过高分子聚合物提供粘接而消除一次片材层叠时层与层之间的界面；最后将所述多层结构的成型体沿着与多层结构上下表面垂直的方向切割成2mm厚度的导热垫片，此高定向导热垫片的垂直于垫片厚度方向导热系数为12W/(m·K)。

实施例2

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：制得高度定向的0.1mm厚的片状石墨烯一次片材，本实施例制备的高定向高导热系数的导热垫片的导热系数为21W/(m·K)。

实施例3

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：本实施例中，片状石墨烯80份；溶剂500份。本实施例制备的高定向高导热系数的导热垫片的导热系数为36W/(m·K)。

实施例4

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：本实施例中，片状石墨烯150份；溶剂800份，制得高度定向的0.09mm厚的片状石墨烯一次片材。本实施例制备的高定向高导热系数的导热垫片的导热系数为87W/(m·K)。

实施例5

本实施例的方法与实施例4相同，不同之处为：本实施例中，原料中高分子聚合物采用硅凝胶100份。本实施例制备的高定向高导热系数的导热垫片导热系数为75W/(m·K)。

实施例6

本实施例的方法与实施例1相同，不同之处为：所述导热垫片由如下质量份的原料制成：高分子聚合物：100份；石墨烯：20-500份；表面改性剂：0.02-5份；流变改性剂：0.02-5份；抗氧剂：0.01-1份；阻燃剂：0.1-10份，溶剂100-1000份。

综上所述，本发明采用刮膜、层叠、切割法制备的导热垫片，片状石墨烯垂直于导热垫片表面；采用导热系数各向异性的片状石墨烯导热填料，其片层平面方向热导率高达5000W/(m·K)，并且有良好的热稳定性；而片状石墨烯在导热垫片中高定向排列，减少了片状导热填料的卡片搭桥结构，提高了导热垫片垂直方向的导热系数。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种导热垫片，用于设置于热源发生器与散热器之间通过所述导热垫片进行导热连接，其特征在于，所述导热垫片中的片状石墨烯的排列方向是高度定向的，片状石墨烯都垂直于导热垫片的厚度方向，因而获得的导热垫片具有较高的导热取向性。

2.如权利要求1所述的导热垫片，其特征在于，所述导热垫片由高分子聚合物、石墨烯、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、阻燃剂、溶剂等为原料制成。

3.如权利要求1所述的导热垫片，其特征在于，所述导热垫片由如下质量份的原料制成：高分子聚合物：100份；石墨烯：20-500份；表面改性剂：0.02-5份；流变改性剂：0.02-5份；抗氧剂：0.01-1份；阻燃剂：0.1-10份，溶剂100-1000份。

4.如权利要求2或3所述的导热垫片，其特征在于，所述高分子聚合物为天然橡胶、硅橡胶、硅凝胶、丁苯橡胶、聚异丁烯橡胶、丙烯酸橡胶、丙烯酸酯共聚树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚树脂、聚氨酯橡胶、聚乙烯基醚树脂之一或其混合物。

5.如权利要求2-4所述的导热垫片，其特征在于，所述表面改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸之一或其混合物。

6.如权利要求2-5之一所述的导热垫片，其特征在于，所述流变改性剂为膨润土、有机粘土、二氧化硅、纤维素之一或其混合物。

7.如权利要求2-6之一所述的导热垫片，其特征在于，所述石墨烯为二维片状结构，为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯之一或其混合物，片状平均直径为0.2～50μm，片状厚度＜10nm，其使用前需使用所述表面改性剂进行表面改性处理。

8.一种如权利要求1-7之一所述的导热垫片的制备方法，包括如下步骤：

以高分子聚合物、石墨烯、表面改性剂、流变改性剂、抗氧剂、阻燃剂、溶剂等为原料按照比例均匀混合形成流延料组合物；

采用逗号辊涂布或平板膜刮膜机将流延料组合物涂膜流延并固化后得到0.005-0.5mm厚高度定向的片状石墨烯一次片材，所述一次片材具有相互平行的上表面和下表面，所述一次片材内部均匀分布有片状石墨烯，所述片状石墨烯的片状表面平行于所述一次片材上表面和下表面；

将上述一次片材层叠在模具中并通过加热加压而形成具有多层结构的成型体，模压的主要目的是通过高分子聚合物提供粘接而消除一次片材层与层之间的界面，加热温度优选80℃-250℃，压力优选0.5MPa-50MPa；

将所述多层结构的成型体沿着与多层结构上下表面垂直的方向切割成0.1-5mm厚度的导热垫片。