CN110330947A - 一种含碳纳米管的导热凝胶及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含碳纳米管的导热凝胶及其制备方法和应用，属于新材料及其应用技术领域。本发明利用简单的工艺，一碳纳米管和常规填料配合使用作为导热填料，以乙烯基硅油，含氢硅油，铂金催化剂为基体，制备出碳纳米管复合导热凝胶材料。复合材料中碳纳米管和常规填料均匀分散，充分发挥了碳纳米管自身高导热性和常规填料可实现大量填充的特点。通过预固化，使硅油交联，提升了导热凝胶的抗老化性能，也提升了导热性能的稳定性。此种碳纳米管复合导热凝胶制备工艺简单，可大规模工业化生产，可作为新型高效导热界面材料应用于电子设备散热。

Description

一种含碳纳米管的导热凝胶及其制备与应用

技术领域

本发明涉及新材料及其应用领域，具体设计一种含碳纳米管的导热凝胶及其制备方法和应用。

技术背景

随着科技的发展，电子元器件的微型化及多功能化对器件的散热性提出更高的要求。器件的散热问题已经成为迅速的电信产业面临的技术瓶颈，

在器件散热的过程中，热量需要从器件内部经过封装材料和散热器界面再经散热器传递到外部环境。热阻分析表明，器件与散热器之间界面热阻较大。究其原因是固体表面在微观尺度上粗糙不平，两固体表面接触面积小，大部分是充满空气的微小孔隙。为减少空隙内的空气，人们开发了导热界面材料，将界面材料填充于接触面之间，可减少孔隙内的空气。在整个接触界面是形成连续的导热通道，提高电子元器件的散热效率。

导热凝胶是一种新型的导热界面材料，它结合了导热硅胶垫和导热膏的优点：即能想导热垫一样保持固定形态；又能像导热膏一样可任意变换形状。常规的导热凝胶材料一般是将导热填料直接混合在硅油等有机高分子材料制得的复合材料，长时间的使用会使硅油渗出，使材料干涸，影响效能，预固化的导热凝胶，能够有效的避免这种问题的发生。大量导热填料的加入会提升成本和重量，而且会使材料界面浸润性下降，粘度增加、硬度增加，但导热性能却未明显提升。

研究表明，碳纳米管具有优异的导热性能，导热系数理论值最高可达 5800W/(M·k)。因此碳纳米管作为一种新型的导热填料，有很大的潜力。但是碳纳米管的比表面积很大，不易分散在硅油中。同时单独作为导热填料使用，为满足凝胶材料的硬度、粘度等要求，添加量收到限制，生产成本也很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含碳纳米管的导热凝胶的制备方法及其应用，通过将碳纳米管与传统填料配合使用，利用研磨法，然后加热预固化，制备了含碳纳米管的导热凝胶。该工艺克服了利用机械搅拌等常规工艺在制备过程中出现的，纳米材料分散困难的问题。也避免了凝胶使用时硅油渗出的问题。同时，利用碳纳米管和常规导热填料配合使用，既可显著提升导热凝胶的导热性能，也可克服碳纳米管单独使用添加受限，成本高等问题。

本发明的技术方案是

一种含碳纳米管的导热凝胶，该导热凝胶是由复合导热填料、硅油、含氢硅油、偶联剂、铂金催化剂组成。复合导热填料与导热凝胶的重量比例为(35-90)：100；所述复合导热填料是由碳纳米管和常规导热填料组成，碳纳米管和常规导热填料均匀分散于乙烯基硅油基体中，并预固化；碳纳米管在导热凝胶中所占重量百分比为0.5～20％；铂金催化剂是0.05％-0.3％；乙烯基硅油、侧链含氢硅油和端含氢硅油复合导热填料的质量比为50：50～10:90。

所述碳纳米管为电弧放电法的单壁碳纳米管、激光烧蚀法的单壁碳纳米管、聚合反应合成法的单壁纳米管、催化裂解法的单壁碳纳米管的其中一种。

所述常规导热填料的粒径范围为1-100μm，常规导热填料为氮化铝、氧化铝、氧化锌、氮化硼、碳化硅中的一种或几种混合。

所述常规导热填料为同一种填料但采用多种粒径范围的组合方式；或者常规导热填料为同粒径范围但选自不同种类填料的组合方式。

所述硅油为二甲基硅油、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、端乙烯基聚甲基乙烯基硅氧烷中的一种或几种混合。

所述铂金催化剂为氯铂酸和烯烃、有机硅氧烷的复配物。

所述侧链含氢硅油的含氢量为0.1％、0.18％、0.4％中的其中一种。

所述端链含氢硅油含氢量为0.08％～0.1％之间。

所诉导热凝胶的经过预固化。

所述导热凝胶的导热率能达到8W/Mk.

所述碳纳米管的导热凝胶的制备方法，首先将碳纳米管按比例加入硅油中充分搅拌后，然后按比例加入常规填料，然后加入含氢硅油，铂金催化剂，搅拌均匀，最后将混合好的材料放入135℃烘烤2小时，即获得所述含碳纳米管的导热凝胶。

该导热凝胶作为导热界面材料应用于电子设备散热。

本发明设计机理如下：

本发明利用简单的工艺，以碳纳米管和常规填料配合使用作为导热填料，以硅油，含氢硅油，铂金催化剂的混合物为基体，制备出了碳纳米管复合导热凝胶材料。复合材料经过预固化，有效避免了老化后，硅油流失，材料变硬导致的导热系数降低。米管复合导热凝胶制备工艺简单，科大规模工业化生产，可作为新型高效导热界面材料应用于电子设备散热。

本发明导热凝胶制备过程中，为使碳纳米管更加均匀稳定的分散，优选地采用了机械研磨法作为方式。

本发明具有如下优点：

1.选用碳纳米管与规导热填料配合使用。充分发挥了碳纳米管作为导热填料自身高导热的特性，常规填料的加入与碳纳米管导热性能相互促进，同时克服了碳纳米管添加量的限制，且能有效降低成本。

2.材料预固化，能有效减少硅油流失，保持材料的柔软性，使导热效果稳定，并且可以为复合材料形变保持提供更好的支撑作用.

3.理由机械研磨法等工艺，克服了制备过程职工利用常规机械搅拌等工艺由于碳纳米管材料易团聚，作为纳米材料分散困难的问题，本方法工艺简单，易于工业放大生产。

具体实施方式

利用湘潭湘仪仪器公司的DRE-III多功能快速导热系数测试仪，(此仪器检测执行ASTMD 5470标准)，测试了所制备的导热凝胶的导热性能。

实施例1：

优选地将3g碳纳米管，700g平均粒径50μm的球形氧化铝填料，100g 平均粒径5μm的球形氧化铝填料，100g粘度500Pa·S的乙烯基硅油，0.8g 含氢量0.18％的端链含氢硅油，0.2g含氢量0.1％的侧链含氢硅油，0.5g铂金催化剂，放入机械搅拌器中，以120转/分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120摄氏度烘烤2小时，既得到含有碳纳米管的导热凝胶。

实施例2：

优选地将3g碳纳米管，650g平均粒径50μm的球形氧化铝填料，50g平均粒径5μm的球形氧化铝填料，100g粘度500Pa·S的乙烯基硅油，0.8g含氢量0.18％的端链含氢硅油，0.2g含氢量0.1％的侧链含氢硅油，0.5g铂金催化剂，放入机械搅拌器中，以120转/分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120摄氏度烘烤2小时，既得到含有碳纳米管的导热凝胶。

实施例3：

优选地将6g碳纳米管，700g平均粒径50μm的球形氧化铝填料，100g 平均粒径5μm的球形氧化铝填料，100g粘度350Pa·S的乙烯基硅油，0.7g 含氢量0.18％的端链含氢硅油，0.1g含氢量0.1％的侧链含氢硅油，0.5g铂金催化剂，放入机械搅拌器中，以120转/分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120摄氏度烘烤2小时，既得到含有碳纳米管的导热凝胶。

实施例4：

优选地将3g碳纳米管，600g平均粒径50μm的氮化铝填料，50g平均粒径3μm的氮化铝填料，100g粘度500Pa·S的乙烯基硅油，0.8g含氢量0.18％的端链含氢硅油，0.2g含氢量0.1％的侧链含氢硅油，0.5g铂金催化剂，放入机械搅拌器中，以120转/分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120 摄氏度烘烤2小时，既得到含有碳纳米管的导热凝胶。

对比例1：

优选地将3g碳纳米管，700g平均粒径50μm的氧化铝填料，100g平均粒径5μm的氧化铝填料，100g粘度500Pa·S的乙烯基硅油，放入机械搅拌器中，以120转/分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120摄氏度烘烤2小时，既得到含有碳纳米管的导热凝胶。

对比例2：

优选地将10g碳纳米管，100g粘度500Pa·S的乙烯基硅油，0.8g含氢量0.18％的端链含氢硅油，0.2g含氢量0.1％的侧链含氢硅油，0.5g铂金催化剂，放入机械搅拌器中，以120转/分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120摄氏度烘烤2小时，既得到含有碳纳米管的导热凝胶。

对比例3：

优选地将700g平均粒径50μm的氧化铝填料，100g平均粒径5μm的氧化铝填料，100g粘度500Pa·S的乙烯基硅油，放入机械搅拌器中，以120转 /分钟转速搅拌10分钟。将上述混合物放入三辊研磨机中，辊间距为0.5mm，研磨20道。再将研磨好的材料放入烘箱，用120摄氏度烘烤2小时，既得到导热凝胶。

将上述方法制成的所有材料，放入烘箱用150℃烘烤72小时进行老化测试，测试导热系数和热阻，既得以下表。

以上提供的实施例仅仅是说明方式，不应该认为是对本发明的范围限制，任何根据本发明的技术方案和发明构思加以同等替换或改变的方法，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含碳纳米管的导热硅胶泥，其特征在于，所述导热硅凝胶由乙烯基硅油、侧链含氢硅油、铂金催化剂和复合导热填料组成。复合导热填料与导热凝胶的重量比例为(35-90)：100；所述复合导热填料是由碳纳米管和常规导热填料组成，碳纳米管和常规导热填料均匀分散于乙烯基硅油基体中，并预固化；碳纳米管在导热凝胶中所占重量百分比为0.5～20％；铂金催化剂是0.05％-0.3％；乙烯基硅油、侧链含氢硅油和端含氢硅油复合导热填料的质量比为50：50～10:90。

2.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于：所述碳纳米管为电弧放电法的单壁碳纳米管、激光烧蚀法的单壁碳纳米管、聚合反应合成法的单壁纳米管、催化裂解法的单壁碳纳米管的其中一种。

3.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于:所述常规导热填料粒径范围为1～100μm，常规导热填料为氮化铝、氧化铝、氧化锌、氮化硼、碳化硅中的一种或几种混合。

4.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于：所述乙烯基硅油乙烯基含量为0.35％～0.8％。

5.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于：铂金催化剂为氯铂酸和烯烃、有机硅氧烷的复配物。

6.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于：所述侧链含氢硅油的含氢量为0.1％、0.18％、0.4％中的其中一种。

7.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于：所述端链含氢硅油含氢量为0.08％～0.1％之间。

8.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶，其特征在于，所述导热硅凝胶，通过预固化，乙烯基硅油之间已经发生了交联反应，为凝胶状。

9.根据权利要求1所述的含碳纳米管的导热凝胶：该导热凝胶作为导热界面材料应用于电子设备散热。