CN110204903A - 一种高导热系数导热硅脂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热系数导热硅脂，涉及高导热绝缘材料技术领域，其技术方案要点是，包括按重量份计的如下组分：硅油5‑10份、一类导热填料30‑50份、二类导热填料25‑35份、三类导热填5‑10份、助剂0.1‑3份；所述一类导热填料的筛分径为10‑50μm，所述二类导热填料为纳米级微粉，所述三类导热填料的筛分径为100‑300μm。本发明的导热硅脂的导热系数可达5W/m·K以上，粘度则低于20万MPa·s，具有导热效率高和使用耐久性佳的优势。同时，本发明还相应公开了一种高导热系数导热硅脂制备方法。

Description

一种高导热系数导热硅脂及其制备方法

技术领域

本发明涉及高导热绝缘材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高导热系数导热硅脂及其制备方法。

背景技术

导热硅脂也称散热膏，它是含有硅油的膏状散热材料。因为受制造工艺和装夹方法的局限，元器件和散热片之间总是存在着细小空隙，空隙中充斥着空气，而空气是热的不良导体，空气的导热系数很低，严重影响电子元器件的整体散热效果。将导热硅脂填充在元器件和散热片之间的夹缝中，可以保证元器件与散热片之间紧密接触，增加接触面积，提高传热效率，将元器件工作时产生的热量快速均匀地传播到散热片，最后通过风扇带走，从而优化散热效能。可见，导热硅脂的性能对元器件的散热工作起着重要的作用。

而随着发热性电子部件的高密度化，以笔记本电脑为首的电子机器小型化、轻薄化，散热问题则越发地凸显出来。以LED芯片技术为例，其只能将30%的电能转换为光能，另外70%的电能转换为热量，若不能有效地耗散这些热量，则导致芯片的烧毁，降低使用寿命。也就是说，常规导热性能的导热硅脂已逐渐难以满足电子工业对高效散热的要求。

为满足更高效的热传导需求，公开号为JP2000169873A的日本专利公开了一种以氮化铝粉末作为导热填料的导热硅脂，但是氮化铝是六方晶系结构，随着其掺量的增加导热硅脂的热传导系数的提升亦趋于接近极限，反而使得导热硅脂的粘度增加，不利于导热硅脂的涂覆。

申请公布号为CN104231634的中国专利公开了一种高效绝缘导热硅脂及其制备方法，包括二甲基硅油、端羟基硅油、氧化铝和偶联剂；这种方法得到的导热硅脂是具有较高的导热系统及低接触热阻的导热硅脂制品。但是混合均匀后得到的导热硅脂的黏度接近35万厘泊，黏度仍然很大，导热硅脂表面润湿性差，导致界面热阻增大，整体的导热效果变差，不利于电子器件之间的散热。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高导热系数导热硅脂，其具有导热系数可达5W/m·K以上、使用耐久性佳的优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高导热系数导热硅脂，包括按重量份计的如下组分，

硅油 5-10份

一类导热填料 30-50份

二类导热填料 25-35份

三类导热填料 5-10份

助剂 0.1-3份，所述一类导热填料的筛分径为10-50μm，所述二类导热填料为纳米级微粉，所述三类导热填料的筛分径为100-300μm。

通过采用上述技术方案，三种筛分经大小不一的导热填料相互配合，增加了导热填料在导热硅脂中的填充均匀性，使得热量可以多种路径在导热硅脂层中传导，提升了热传导效率。相较于掺加单一纳米级填料，不易出现填料聚集的问题；而相较于于单一掺加大筛分径填料，则大幅减小了填料颗粒间间隙，减少了热传导“盲区”，利于热量快速传导、发散。

同时，本发明的导热硅脂中导热填料的总掺加量与常规的导热硅脂中导热填料掺加量相当，不至于造成导热硅脂粘度大幅增加，利于导热硅脂的涂覆。此外，本发明导热硅脂中掺加有纳米级的导热填料，纳米级填料对附图基材具有极高的亲和性，利于提升导热硅脂的附着牢度，增加了对导热硅脂热形变的抵抗能力，从而延长了导热硅脂的使用耐久性。

进一步地，所述一类导热填料为微米级氧化铝粉、碳化硅陶瓷粉、氮化硅陶瓷粉、氮化铝陶瓷粉、氮化硼陶瓷粉中的一种或多种。

上述各种陶瓷粉及微米级氧化铝粉均具有良好的导热性，具有提高导热硅脂的热传导系数的作用。同时，陶瓷的绝缘效果好，提高了导热硅脂的绝缘性，使得具有较高的击穿电压。

进一步地，所述二类导热填料由纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅按质量比为1：（0.1-0.5）：（0.1-0.5）的比例混合而成。

通过采用上述技术方案，纳米氧化铝和纳米氧化锌具有极佳的导热性，具有促进导热硅脂导热的作用；适当掺量的纳米二氧化硅一方面可增加导热硅脂的绝缘性，另一方面可以增加导热硅脂在基材表面的附着牢度。

进一步地，所述三类导热填料为由柔性高导热石墨烯膜经粉碎制备而得的石墨烯膜碎片。

通过采用上述技术方案，柔性高导热石墨烯膜（纸）的热传导率最高可达到2053W/m·K，以柔性高导热石墨烯膜（纸）粉碎后的碎片作为第三类导热填料，可极大提高导热硅脂的热传导系数。

进一步地，所述助剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基官能团硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

进一步地，所述硅油包括按质量百分数含量计的如下组分，

二甲基硅油 75-85%

二乙基硅油 10-20%

环氧改性聚甲基硅氧烷 1-5%。

通过采用上述技术方案，二甲基硅油为导热硅脂连续相的主要成分。二乙基硅油耐水性好、耐化学腐蚀性佳、润滑性及耐低温型优于甲基硅油，在本发明的导热硅脂中二乙基硅油起到了增加导热硅脂流动性、便于涂覆均匀的作用。环氧改性聚甲基硅氧烷，环氧改性聚甲基硅氧烷兼具环氧树脂和聚甲基硅氧烷的性能，上述掺量的环氧改性聚甲基硅氧烷的增加了导热硅脂对涂覆基材的附着牢度，提升了导热硅脂长期耐受热循环作用的能力、延长了导热硅脂的使用耐久性。

一种高导热系数导热硅脂的制备方法，包括如下步骤，

P1、称取包含硅油5-10份、一类导热填料30-50份、二类导热填料25-35份、三类导热填料5-10份、助剂0.1-3份的原料；所述一类导热填料的筛分径为10-50μm，所述二类导热填料为纳米级微粉，所述三类导热填料的筛分径为100-300μm；

P2、将P1步骤称取的硅油、助剂加入搅拌设备中混合均匀，得混合液；

P3、将一类导热填料加入到P2步骤的混合液中，混合均匀；

P4、将二类导热填料加入到P3步骤的混合液中，混合均匀；

P5、将三类导热填料加入到P4步骤的混合液中，混合均匀后抽真空脱泡即得高导热系数导热硅脂。

通过采用上述技术方案，制得的导热硅脂粘度适中，热传导性能佳，导热系数可达5W/m·K以上，同时导热硅脂在基材上的附着牢度更好，耐受热形变的能力更佳，相较于常规导热硅脂使用寿命更长。

进一步地，所述硅油包括按质量百分数含量计的如下组分，

二甲基硅油 75-85%

二乙基硅油 10-20%

环氧改性聚甲基硅氧烷 1-5%。

采用混合型硅油制得导热硅脂的使用耐久性更佳。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、以三类不同筛分径的导热填料按照合适比例混配作为导热填料，在不影响导热硅脂绝缘性的前提下，显著提高了导热硅脂的导热性能；

2、以二甲基硅油、二乙基硅油和环氧改性聚甲基硅氧烷混配作为导热硅脂的连续相，制得的导热硅脂对基材的附着力增加，耐受温度造成的形变能力增加，使用耐久性更佳。

附图说明

图1为导热硅脂的制备工艺流程图；

图2为导热硅脂的传热原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种高导热系数导热硅脂，其参照图1所示工艺流程制备而得：

按重量份配比称料：硅油8份、微米级氧化铝粉10份、氮化硅陶瓷粉20份、纳米氧化铝20份、纳米氧化锌10份、纳米二氧化硅5份、柔性高导热石墨烯碎片10份、六甲基二硅氮烷0.1份。其中硅油由75wt%的二甲基硅油、20wt%二乙基硅油和5wt%的环氧改性聚甲基硅氧烷混合而成；微米级氧化铝粉和氮化硅陶瓷粉过50μm试验筛筛分、柔性高导热石墨烯碎片经由100μm试验筛筛分。

将称取的硅油、六甲基二硅氮烷加入搅拌设备中混合均匀。然后加入微米级氧化铝粉和氮化硅陶瓷粉，继续搅拌混合。随后加入称取的纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅，继续搅拌混合。最后加入柔性高导热石墨烯碎片，搅拌混合均匀后，于30-40℃条件下抽真空脱泡，得高导热系数导热硅脂。

实施例2：

一种高导热系数导热硅脂，其参照图1所示工艺流程制备而得：

按重量份配比称料：硅油9份、碳化硅陶瓷粉11份、氮化硅陶瓷粉10份、微米级氧化铝15份、纳米氧化铝20份、纳米氧化锌8份、纳米二氧化硅5份、柔性高导热石墨烯碎片9份、六甲基二硅氧烷0.2份、乙烯基三甲氧基硅烷0.8份。其中硅油由84wt%的二甲基硅油、14wt%二乙基硅油和2wt%的环氧改性聚甲基硅氧烷混合而成；碳化硅陶瓷粉、氮化硅陶瓷粉和微米级氧化铝粉过50μm试验筛筛分、柔性高导热石墨烯碎片经由150μm试验筛筛分。

将称取的硅油、六甲基二硅氧烷、乙烯基三甲氧基硅烷加入搅拌设备中混合均匀。然后加入碳化硅陶瓷粉、氮化硅陶瓷粉和微米级氧化铝粉，继续搅拌混合。随后加入称取的纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅，继续搅拌混合。最后加入柔性高导热石墨烯碎片，搅拌混合均匀后，于30-40℃条件下抽真空脱泡，得高导热系数导热硅脂。

实施例3：

一种高导热系数导热硅脂，其参照图1所示工艺流程制备而得：

按重量份配比称料：硅油7份、氧化铝陶瓷粉22份、氮化硼陶瓷粉10份、纳米氧化铝20份、纳米氧化锌9份、纳米二氧化硅2份、柔性高导热石墨烯碎片8份、六甲基二硅氧烷0.3份、六甲基二硅氮烷0.3份、十二烷基三甲氧基硅烷1份、乙烯基三甲氧基硅烷0.1份。其中硅油由80wt%的二甲基硅油、16wt%二乙基硅油和4wt%的环氧改性聚甲基硅氧烷混合而成；氧化铝陶瓷粉和氮化硼陶瓷粉过40μm试验筛筛分、柔性高导热石墨烯碎片经由200μm试验筛筛分。

将称取的硅油、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、十二烷基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷加入搅拌设备中混合均匀。然后加入氧化铝陶瓷粉和氮化硼陶瓷粉，继续搅拌混合。随后加入称取的纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅，继续搅拌混合。最后加入柔性高导热石墨烯碎片，搅拌混合均匀后，于30-40℃条件下抽真空脱泡，得高导热系数导热硅脂。

实施例4：

一种高导热系数导热硅脂，其参照图1所示工艺流程制备而得：

按重量份配比称料：硅油6份、氮化硅陶瓷粉15份、氧化铝陶瓷粉20份、纳米氧化铝19份、纳米氧化锌8份、纳米二氧化硅2份、柔性高导热石墨烯碎片7份、六甲基二硅氧烷0.3份、十二烷基三甲氧基硅烷0.3份、乙烯基三甲氧基硅烷1.4份。其中硅油由81wt%的二甲基硅油、18wt%二乙基硅油和1wt%的环氧改性聚甲基硅氧烷混合而成；氮化硅陶瓷粉氧化铝陶瓷粉过30μm试验筛筛分、柔性高导热石墨烯碎片经由200μm试验筛筛分。

将称取的硅油、六甲基二硅氧烷、十二烷基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷加入搅拌设备中混合均匀。然后加入氮化硅陶瓷粉和氧化铝陶瓷粉，继续搅拌混合。随后加入称取的纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅，继续搅拌混合。最后加入柔性高导热石墨烯碎片，搅拌混合均匀后，于30-40℃条件下抽真空脱泡，得高导热系数导热硅脂。

实施例5：

一种高导热系数导热硅脂，其参照图1所示工艺流程制备而得：

按重量份配比称料：硅油10份、氮化硅陶瓷粉5份、氧化铝陶瓷粉15份、氮化硼陶瓷粉15份、纳米氧化铝25份、纳米氧化锌5份、纳米二氧化硅5份、柔性高导热石墨烯碎片10份、六甲基二硅氧烷0.3份、六甲基二硅氮烷1份、十二烷基三甲氧基硅烷1份、乙烯基三甲氧基硅烷0.7份。其中硅油由85wt%的二甲基硅油、12wt%二乙基硅油和3wt%的环氧改性聚甲基硅氧烷混合而成；氮化硅陶瓷粉、氧化铝陶瓷粉和氮化硼陶瓷粉过20μm试验筛筛分、柔性高导热石墨烯碎片经由250μm试验筛筛分。

将称取的硅油、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、十二烷基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷加入搅拌设备中混合均匀。然后加入氮化硅陶瓷粉、氧化铝陶瓷粉和氮化硼陶瓷粉，继续搅拌混合。随后加入称取的纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅，继续搅拌混合。最后加入柔性高导热石墨烯碎片，搅拌混合均匀后，于30-40℃条件下抽真空脱泡，得高导热系数导热硅脂。

实施例6：

一种高导热系数导热硅脂，其参照图1所示工艺流程制备而得：

按重量份配比称料：硅油5份、氮化硅陶瓷粉20份、氧化铝陶瓷粉5份、氮化硼陶瓷粉10份、纳米氧化铝20份、纳米氧化锌3份、纳米二氧化硅2份、柔性高导热石墨烯碎片5份、六甲基二硅氮烷0.5份、六甲基二硅氧烷0.5份和十二烷基三甲氧基硅烷2份。其中硅油由85wt%的二甲基硅油、10wt%二乙基硅油和5wt%的环氧改性聚甲基硅氧烷混合而成；氮化硅陶瓷粉、氧化铝陶瓷粉和氮化硼陶瓷粉过1.0μm试验筛筛分、柔性高导热石墨烯碎片经由300μm试验筛筛分。

将称取的硅油、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷加入搅拌设备中混合均匀。然后加入氮化硅陶瓷粉、氧化铝陶瓷粉和氮化硼陶瓷粉，继续搅拌混合。随后加入称取的纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅，继续搅拌混合。最后加入柔性高导热石墨烯碎片，搅拌混合均匀后，于30-40℃条件下抽真空脱泡，得高导热系数导热硅脂。

对照例1：

一种导热硅脂，与实施例3的区别仅在于：硅油为二甲基硅油。

对照例2：

一种导热硅脂，与实施例3的区别仅在于：用等量筛分径为10~50μm的微米级氮化铝粉代替全部的一类导热填料、二类导热填料和三类导热填料。

对照例3：

一种导热硅脂，与实施例3的区别仅在于：用等量的纳米级氮化铝粉代替全部的一类导热硅脂、二类导热硅脂和三类导热硅脂。

性能测试：

分别对实施例1-6级对照例1-3的导热硅脂进行性能测试。

导热系数（λ）及热阻率（θ）：采用W-9389型导热测试机，参照ASTM D5470的导热电绝缘材料热传输性能的标准测试方法进行测试；

粘度：采用RVDT2T型粘度仪对试样进行粘度测试；

电压击穿强度：参照ASTM D877液体绝缘材料击穿电压测试法进行测试。

具体实验结果记录如表1所示：

表1.导热硅脂性能实验结果表

由上表实验数据可知，本发明的导热硅脂的热传导性极佳，可达5.889W/m·K以上，即表明本发明通过三类不同筛分经大小的导热填料按照特定配比混配，使得热量在导热硅脂体系能按照图2所示方式以多种路径快速传导，具有高效的传导效率。而且，本发明的导热硅脂具有较高的电压击穿强度，绝缘性能满足电子工业的应用要求。另一方面，本发明的导热硅脂的粘度被控制在20万MPa·s内，满足导热硅脂的涂覆应用要求。

上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种高导热系数导热硅脂，其特征在于：包括按重量份计的如下组分，

硅油 5-10份

一类导热填料 30-50份

二类导热填料 25-35份

三类导热填料 5-10份

助剂 0.1-3份，

所述一类导热填料的筛分径为10-50μm，所述二类导热填料为纳米级微粉，所述三类导热填料的筛分径为100-300μm。

2.根据权利要求1所述的一种高导热系数导热硅脂，其特征在于：所述一类导热填料为微米级氧化铝粉、碳化硅陶瓷粉、氮化硅陶瓷粉、氮化铝陶瓷粉、氮化硼陶瓷粉中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种高导热系数导热硅脂，其特征在于：所述二类导热填料由纳米氧化铝、纳米氧化锌和纳米二氧化硅按质量比为1：（0.1-0.5）：（0.1-0.5）的比例混合而成。

4.根据权利要求1所述的一种高导热系数导热硅脂，其特征在于：所述三类导热填料为由柔性高导热石墨烯膜经粉碎制备而得的石墨烯膜碎片。

5.根据权利要求1所述的一种高导热系数导热硅脂，其特征在于：所述助剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基官能团硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种高导热系数导热硅脂，其特征在于：所述硅油包括按质量百分数含量计的如下组分，

二甲基硅油 75-85%

二乙基硅油 10-20%

环氧改性聚甲基硅氧烷 1-5%。

7.一种如权利要求1所述的一种高导热系数导热硅脂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

P1、称取包含硅油5-10份、一类导热填料30-50份、二类导热填料25-35份、三类导热填料5-10份、助剂0.1-3份的原料；所述一类导热填料的筛分径为10-50μm，所述二类导热填料为纳米级微粉，所述三类导热填料的筛分径为100-300μm；

P2、将P1步骤称取的硅油、助剂加入搅拌设备中混合均匀，得混合液；

P3、将一类导热填料加入到P2步骤的混合液中，混合均匀；

P4、将二类导热填料加入到P3步骤的混合液中，混合均匀；

P5、将三类导热填料加入到P4步骤的混合液中，混合均匀后抽真空脱泡即得高导热系数导热硅脂。

8.根据权利要求7所述的一种高导热系数导热硅脂的制备方法，其特征在于：所述硅油包括按质量百分数含量计的如下组分，

二甲基硅油 75-85%

二乙基硅油 10-20%

环氧改性聚甲基硅氧烷 1-5%。