CN108641371A - 一种高导热、高电绝缘性的凝胶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热、高电绝缘性的凝胶片及其制备方法，包括有机硅聚合物、导热粉体和助剂；有机硅聚合物为乙烯基聚硅氧烷、苯烯基聚硅氧烷、甲基苯烯酸硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷中的一种或几种；有机硅聚合物的胶系粘度为300‑1000mPa·s；导热粉体包括氧化物、氮化物、石墨、磷化镓和陶瓷类粉体中的至少一种；氮化物为氮化铝、氮化硼纳米管和氮化硼纳米片；助剂包括偶联剂和分散剂。通过上述方式，本发明能够解决了现有凝胶片导热性能差、电绝缘性差等技术问题，以改善现有凝胶片的导热性能、电绝缘性，达到提高凝胶片的导热系数、提高电绝缘性、减少因为漏电导致产品报废的目的。

Description

一种高导热、高电绝缘性的凝胶片及其制备方法

技术领域

本发明属于热界面材料技术领域，特别是涉及一种高导热、高电绝缘性的凝胶片及其制备方法。

背景技术

随着各种电子、电器产品的多功能化和小型化，其因为散热问题带来的负面影响也随之日益严重。由于内部温度提高会带来电子元件寿命降低、芯片处理速度减慢、闲置功率增加等一系列问题，散热设计已成为现代电子电器行业的重要组成部分。使用散热片导出热量是最常用的散热设计之一，但是由于散热片与热源之间存在不可避免的缝隙，会极大地降低散热效果。

热界面材料(TIM)，又称为导热材料，用于填充热源与散热片之间接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，极大的提高散热片与热源之间的实际接触面积，降低体系热阻，提高了器件散热的性能。热界面材料包括导热硅脂、导热凝胶片、导热胶粘剂、相变材料等不同种类。

导热凝胶片，是一种近些年出现的新型的热界面材料。导热凝胶片是一种由高可塑性材料压制而成的片材，可根据要求制备不同厚度的产品，并可根据需要裁切成不同形状，易于使用。由于导热凝胶片柔软且易于形变，在施加压力的情况下可以紧密的贴合在不同材料表面，从而大幅度降低界面接触热阻。尤其针对不同位置缝隙宽度差别较大的应用环境，由于导热凝胶片的无限压缩性，可以将缝隙充分填充而提高系统的导热散热性能。另外，由于导热凝胶片本身为固体材料，产品内部成分均一稳定，从而避免了出现导热硅脂的分层、变干、流淌等现象，大幅度提高了电子电器产品的稳定性和可靠性。

导热凝胶片的基本配方为导热填料和硅油，其中，常用导热填料多为金属氧化物与氢氧化物，如氧化锌、氧化铝、二氧化硅、氢氧化铝和氢氧化镁等。金属氧化物与氢氧化物价格低廉，但导热系数较低，通常只有10～40W/m·K，由其制备的导热凝胶片导热系数通常只有1～3W/m·K，产品导热性能差。硅油方面，最常用的原料为粘度1000～3000mPa·s的甲基硅油，附以分子量20～60万的有机硅生胶。由于体系的粘度较大，与导热填料混合时需要在加热的情况下长时间混合，且降低了导热填料的添加量，进一步降低了产品的导热系数。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种高导热、高电绝缘性的凝胶片及其制备方法，能够解决了现有凝胶片导热性能差、电绝缘性差等技术问题，以改善现有凝胶片的导热性能、电绝缘性，达到提高凝胶片的导热系数、提高电绝缘性、减少因为漏电导致产品报废的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，原料包括有机硅聚合物、导热粉体和助剂；

所述有机硅聚合物为乙烯基聚硅氧烷、苯烯基聚硅氧烷、甲基苯烯酸硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷中的至少一种；所述有机硅聚合物的胶系粘度为300-1000mPa·s；

所述导热粉体包括氧化物、氮化物、石墨、磷化镓和陶瓷类粉体中的至少一种；所述氮化物为氮化铝、氮化硼纳米管和氮化硼纳米片；

所述助剂包括偶联剂和分散剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种；所述分散剂为聚乙二醇200。

进一步地说，所述导热粉体为磷化镓、氮化硼纳米管和氮化硼纳米片。

进一步地说，按体积百分含量计，所述有机硅聚合物为3-50％，所述导热粉体为30-90％，所述助剂为7-20％，其中，磷化镓3-30％，氮化硼纳米管35-50％和氮化硼纳米片35-50％。

进一步地说，按体积百分含量计，所述有机硅聚合物为16-50％，所述导热粉体为36-77％，所述助剂为10-20％，其中，磷化镓3-20％，氮化硼纳米管40-50％和氮化硼纳米片40-50％。

进一步地说，按体积百分含量计，所述有机硅聚合物为20％，所述导热粉体为70％，所述助剂为10％，其中，磷化镓10％，氮化硼纳米管40％和氮化硼纳米片50％。

进一步地说，所述磷化镓包括粒径为0.1-0.3μm的磷化镓、粒径为1-10μm的磷化镓和粒径为20-50μm的磷化镓三者的混合料，其中，粒径为0.1-0.3μm的磷化镓的体积含量为1-40％，粒径为1-10μm的磷化镓的体积含量为20-60％，粒径为20-50μm的磷化镓的体积含量为5-40％。

所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将有机硅聚合物、导热填料、助剂放入开炼机或密炼机，室温混合1～3h；

(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；

(3)将混合料热压或压延成型，加热；

(4)产品固化后收集备用。

进一步地说，所述步骤(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min。

进一步地说，所述步骤(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s。

所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将有机硅聚合物为3-50％，导热粉体为30-90％，助剂为7-20％，其中磷化镓3-30％，氮化硼纳米管35-50％，氮化硼纳米片35-50％放入开炼机或密炼机，室温混合1～3h；

(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；

(3)将混合料热压或压延成型，加热；

(4)产品固化后收集备用。

本发明的有益效果至少具有以下几点：

1、本发明包括有机硅聚合物、导热粉体和助剂，选用原材料成分和比例合理，解决了现有凝胶片导热系数低、电绝缘性差等技术问题，以改善现有凝胶片的性能，达到提高凝胶片的导热系数、提高电绝缘性、减少因为漏电导致产品报废的目的；

2、氮化硼纳米管是一类新型的BN材料，具有优异的物理性能，其结构和碳纳米管结构相似。单根多壁BNNTs杨氏模量约为1.18TPa，约为块状h-BN平面杨氏模量的14倍，同时也可能是已知绝缘纤维材料中最高的。BNNTs声子传播方式与CNTs很相似，其理论热导率与CNTs差不多。在室温下测定外直径30-40nm的BNNTs热导率发现，BNNTs具有很高热导率值K(350W/(m.K))，热导率大小依赖于B同位素的无序状态，在室温下K值可以增加50％，这可能是已知材料中热导率增加最大的一种物质，大大提高产品的导热系数。将微米BN片层剥离到几纳米到几十纳米厚度时可得到BN纳米片(BNNSs)，和石墨烯相似，BNNSs具有极高的热导率、电绝缘性和其他综合性能，相比BNNTs，其巨大的传热面积可以有效降低和聚合物间的界面热阻，显著改善聚合物导热、电绝缘性、力学及其他性能，是一类综合性能优越的高性能导热绝缘纳米粒子。将BN纳米管和纳米片混杂使用，借助于二者之间的协同效应，可以显著改善聚合物的导热性能和电绝缘性，能达到的较高热导率和电绝缘的聚合物电介质；

3、磷化镓为高导热材料，磷化镓的导热系数为77W/m·K，磷化镓为不同粒径比例混合体，比例分别为1-5％，20-60％，5-40％，粒径分别为0.1-0.3微米，1-10微米，20-50微米，磷化镓高的导热系数及不同粒径搭配、特殊结构的氮化硼纳米管和氮化硼纳米片高导热系数及电绝缘性优越特性材料搭配使用，导热系数达到10W/m·K以上，降低了体系粘度，从而降低热阻，达到提高凝胶片的导热系数、提高电绝缘性、减少因为漏电导致产品报废的目的；

4、本发明使用低粘度有机硅聚合物为基体，有利于导热粉体分散，可以更快、更均匀的进行混合；

5、本发明的工艺简洁，操作简单，可以针对不同粘度的产品，选用不同的延压成型方式，粘度较低的混合料可以进行压延成型，粘度较高的混合料无法压延成型，可以通过平板硫化机成型。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1：取以下原料，用来制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为20％；导热粉体为70％，包括磷化镓10％、氮化硼纳米管40％和氮化硼纳米片50％；助剂为10％。

采用以下方法制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min，压延成型的产品较薄，一般厚度为0.1～2mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例2：取以下原料，用来制备粘度较高的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物：所述有机硅聚合物为3％；导热粉体为77％，包括磷化镓3％、氮化硼纳米管47％和氮化硼纳米片50％；助剂为20％。

采用以下方法制备粘度较高的高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s；平板硫化机延压成型的产品较厚，一般厚度为1～3mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例3：取以下原料，用以制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物：所述有机硅聚合物为50％；导热粉体为43％，包括磷化镓25％、氮化硼纳米管35％和氮化硼纳米片40％；助剂为7％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min；直接压延成型的产品较薄，一般厚度为0.1～2mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例4：取以下原料，用以制备粘度较高的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为50％；导热粉体为30％，包括磷化镓20％、氮化硼纳米管45％和氮化硼纳米片35％；助剂为20％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s；平板硫化机延压成型的产品较厚，一般厚度为0.5～3mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例5：取以下原料，用以制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为3％；导热粉体为90％，包括磷化镓30％、氮化硼纳米管35％和氮化硼纳米片35％；助剂为7％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min；直接压延成型的产品较薄，一般厚度为0.1～2mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例6：取以下原料，用以制备粘度较高的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为30％；导热粉体为60％，包括磷化镓18％、氮化硼纳米管37％和氮化硼纳米片45％；助剂为10％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s；平板硫化机延压成型的产品较厚，一般厚度为0.5～3mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例7：取以下原料，用以制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为40％；导热粉体为42％，包括磷化镓15％、氮化硼纳米管50％和氮化硼纳米片35％；助剂为18％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min；直接压延成型的产品较薄，一般厚度为0.1～2mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例8：取以下原料，用以制备粘度较高的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为16％；导热粉体为70％，包括磷化镓9％、氮化硼纳米管43％和氮化硼纳米片48％；助剂为14％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s；平板硫化机延压成型的产品较厚，一般厚度为0.5～3mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例9：取以下原料，用以制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为38％；导热粉体为53％，包括磷化镓11％、氮化硼纳米管50％和氮化硼纳米片39％；助剂为9％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min；直接压延成型的产品较薄，一般厚度为0.1～2mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例10：取以下原料，用以制备粘度较高的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为50％；导热粉体为36％，包括磷化镓15％、氮化硼纳米管35％和氮化硼纳米片50％；助剂为14％。

采用以下方法制备高导热凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s；平板硫化机延压成型的产品较厚，一般厚度为0.5～3mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

实施例11：取以下原料，用以制备粘度较低的高导热、高电绝缘性的凝胶片，有机硅聚合物为24％；导热粉体为65％，包括磷化镓23％、氮化硼纳米管40％和氮化硼纳米片37％；助剂为11％。

采用以下方法制备高导热、高电绝缘性的凝胶片：(1)将有机硅聚合物、导热粉体和助剂放入开炼机或密炼机，室温25℃混合1～3h；(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；反应中，铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm；(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min；直接压延成型的产品较薄，一般厚度为0.1～2mm；(4)产品固化后收集备用。此时的固化，指的是步骤(3)中的混合物加热时发生化学反应后，体系由液态或糊状变为固体。

本发明中，使用低粘度有机硅聚合物为载体，加入磷化镓、氮化硼纳米管和氮化硼纳米片为导热粉体。由于体系粘度低，利于导热粉体的高添加量与分散混合。充分混合后加入催化剂，再次混匀后出料。通过热压或压延的方式，成型后对片材加热。通过本发明的技术，克服了现有导热凝胶片多以金属氧化物和/氢氧化物为导热填料，导热系数低，电绝缘性差的缺点；同时，避免了以高分子量有机硅油或有机硅生胶作为有机载体，由于其初始粘度高，影响了填料的添加量与混合效果，降低产品的导热系数。本发明中，制备方法中的步骤(3)通过两种方法主要针对不同粘度的产品，粘度较低的混合料可以进行压延成型，此时的产品较薄，厚度一般为0.1～2mm；粘度较高的混合料无法压延成型，只能通过平板硫化机成型，不过这样的产品较厚，一般为0.5～3mm。本领域技术人员应该知道，化学反应中，由于反应中的变化，所以催化剂的适量可以为范围，在本发明的制备方法中，所述步骤(2)中加入的铂金催化剂在总物料中的含量为1～10000ppm，本领域技术人员可以根据具体操作中的变化，增加或者减少催化剂。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，其特征在于：原料包括有机硅聚合物、导热粉体和助剂；

所述有机硅聚合物为乙烯基聚硅氧烷、苯烯基聚硅氧烷、甲基苯烯酸硅氧烷、甲基乙烯基聚硅氧烷中的至少一种；所述有机硅聚合物的胶系粘度为300-1000mPa·s；

所述导热粉体包括氧化物、氮化物、石墨、磷化镓和陶瓷类粉体中的至少一种；所述氮化物为氮化铝、氮化硼纳米管和氮化硼纳米片；

所述助剂包括偶联剂和分散剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种；所述分散剂为聚乙二醇200。

2.根据权利要求1所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，其特征在于：所述导热粉体为磷化镓、氮化硼纳米管和氮化硼纳米片。

3.根据权利要求1所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，其特征在于：原料按体积百分含量计，所述有机硅聚合物为3-50％，所述导热粉体为30-90％，所述助剂为7-20％，其中，磷化镓3-30％，氮化硼纳米管35-50％和氮化硼纳米片35-50％。

4.根据权利要求1所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，其特征在于：原料按体积百分含量计，所述有机硅聚合物为16-50％，所述导热粉体为36-77％，所述助剂为10-20％，其中，磷化镓3-20％，氮化硼纳米管40-50％和氮化硼纳米片40-50％。

5.根据权利要求1所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，其特征在于：原料按体积百分含量计，所述有机硅聚合物为20％，所述导热粉体为70％，所述助剂为10％，其中，磷化镓10％，氮化硼纳米管40％和氮化硼纳米片50％。

6.根据权利要求1所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片，其特征在于：所述磷化镓包括粒径为0.1-0.3μm的磷化镓、粒径为1-10μm的磷化镓和粒径为20-50μm的磷化镓三者的混合料，其中，粒径为0.1-0.3μm的磷化镓的体积含量为1-40％，粒径为1-10μm的磷化镓的体积含量为20-60％，粒径为20-50μm的磷化镓的体积含量为5-40％。

7.根据权利要求1所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将有机硅聚合物、导热填料、助剂放入开炼机或密炼机，室温混合1～3h；

(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；

(3)将混合料热压或压延成型，加热；

(4)产品固化后收集备用。

8.根据权利要求7所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)将混合料通过压延成型后，通过隧道炉加热80～150℃，持续3～20min。

9.根据权利要求7所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)将混合料通过平板硫化机成型，加热温度为60～150℃，压力0.5～30MPa，保压时间30～300s。

10.根据权利要求7-9任一所述的一种高导热、高电绝缘性的凝胶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将有机硅聚合物为3-50％，导热粉体为30-90％，助剂为7-20％，其中磷化镓3-30％，氮化硼纳米管35-50％，氮化硼纳米片35-50％放入开炼机或密炼机，室温混合1～3h；

(2)混合后，加入铂金催化剂，0-20℃混合0.5～1h，出料；

(3)将混合料热压或压延成型，加热；

(4)产品固化后收集备用。