CN110951254A - 氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其由如下质量份比例的组分制成：氮化硼纳米片10～50，导热填料5～10，聚合物基体40～90。本发明还涉及了该氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法。本发明所述的高分子材料涉及到两种不同的导热填料共同填充到聚合物基体中。氮化硼纳米片作为主体，其他的导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，更加有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起有效地导热传输路径。所述的复合材料有效地降低了界面热阻，使得热流能够有效完整的运输，实现了高导热性能；同时复合材料还具有优异的电绝缘性能、良好的尺寸稳定性以及力学性能，具有广泛的应用前景。

Description

氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于导热材料领域，涉及不同导热填料进行复合，尤其涉及一种氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料及制备方法。
背景技术
随着新一代柔性电子设备的不断发展，解决元器件的高效散热仍是迫在眉睫的问题。聚合物材料如聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯等由于其自身优异的特点例如加工简单灵活、成本低、高强度、耐腐蚀等在柔性电子设备应用中发挥着重要的作用。然而，与传统的金属材料相比较，大多数的聚合物材料导热系数较低，不能满足其在导热领域中的应用。因此，开发具有高导热同时具有优异的电绝缘性能的复合材料成为解决电子器件散热问题的关键。
氮化硼由于其良好的机械性能、优异的电绝缘性和高导热性成为一种常用的导热填料。但目前对于氮化硼的利用往往是将其制备成氮化硼纳米片然后高填充量添加到复合材料中来提高导热，但是高填充量的氮化硼纳米片的引入，往往会使聚合物本身的力学性能下降，限制其应用。
中国专利文献CN105462069公开了一种功能化氮化硼纳米片/聚丙烯复合材料及其制备方法，该方法通过将氮化硼纳米片进行功能化改性，来以此提高氮化硼纳米片在聚丙烯树脂基体中的分散程度而减少团聚现象。中国专利文献CN109280332公开了一种氮化硼/环氧树脂导热绝缘复合材料的制备方法，该方法通过将氮化硼粉末进行表面修饰，将改性过后的六方氮化硼和立方氮化硼微粉填充到环氧树脂的基体中，以不同尺寸和形貌的氮化硼在基体中构建导热通路，来改善环氧树脂的导热性能。但该方法中对填料改性处理的操作较为复杂，后续操作较为繁琐，对设备要求极高，不利于产业化生产和应用。
因此，需要研发一种新的高导热绝缘高分子复合材料，以兼顾材料的导热绝缘性能和力学性能，同时简化制备工艺，降低对设备的要求，以利于产业化推广应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，采用两种不同的导热填料共同填充到聚合物基体中，其中的氮化硼纳米片作为主体，其他的导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，更加有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起有效地导热传输路径，从而大幅度降低聚合物的界面热阻，使得热流能够有效完整的运输，实现了高导热性能；同时复合材料还具有优异的电绝缘性能、良好的尺寸稳定性以及力学性能，具有广泛的应用前景，并且简化其制备工艺。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于，其由以下质量份数比的组分制成：氮化硼纳米片10～50，导热填料5～10，聚合物基体40～90；
其中，所述的氮化硼纳米片与导热填料复合后，导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起三维导热传输路径，形成氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
所述的导热填料为氧化铝、石墨烯、氮化铝、碳化硅、氮化硼纳米管、碳纳米管、氮化硅中的一种或多种的混合物。
所述的聚合物基体，是聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯中的一种或多种的混合物。
所述氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)先将氮化硼纳米片与表面改性剂按照设定的比例超声30～60min，然后经过离心之后70～100℃的烘箱中烘12～48h，得到改性过后的氮化硼纳米片；
(2)将改性过的氮化硼纳米片与导热填料按照设定的质量比制成混合液，常温下搅拌2～4h，超声30～60min，使两种导热填料充分接触；
(3)再将超声过后的氮化硼纳米片复合溶液与聚合物基体搅拌混合充分，最后将得到的混合液浇筑到玻璃上，并置于真空烘箱中，在50～120℃干燥12～48h，通过真空辅助自组装的方式，制得氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：
(1)本发明提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，采用两种不同的导热填料共同填充到聚合物基体中，其中的氮化硼纳米片作为主体，其他的导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，更加有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起有效地导热传输路径，从而大幅度降低聚合物的界面热阻，使得热流能够有效完整的运输，实现了高导热性能；同时复合材料还具有优异的电绝缘性能、良好的尺寸稳定性以及力学性能；
(2)本发明提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，工艺简洁、紧凑，操作方便安全，对设备的要求低，便于大规模生产。
(3)本发明通过的制备方法及复合材料，重点是将氮化硼纳米片与其他导热填料复合，通过两者之间的协同作用，有序地分散在聚合物的基体中，构筑更加完整、连续的导热通路，进而提高复合材料的导热性能。同时，使该复合材料在提高导热性能的同时，还具有优异的电绝缘性能、力学性能和良好的尺寸稳定性。
附图说明
图1为本发明各实施例不同氮化硼纳米片与石墨烯质量比的聚酰亚胺复合材料测得的导热率图；
图2为本发明各实施例不同氮化硼纳米片与石墨烯质量比的聚酰亚胺复合材料测得的拉伸强度图。
具体实施方式
参见附图1、2，以下结合附图及实施例对本发明的技术方案进一步地详细介绍，但是本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其由以下质量份数比的组分制成：氮化硼纳米片10～50，导热填料5～10，聚合物基体40～90；具体的，本实施例中氮化硼纳米片为10，导热填料为氧化铝5，聚合物基体聚酰亚胺为85。
其中，所述的氮化硼纳米片与导热填料复合后，导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起三维导热传输路径，形成氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
所述的导热填料为氧化铝、石墨烯、氮化铝、碳化硅、氮化硼纳米管、碳纳米管、氮化硅中的一种或多种的混合物。本实施例中为氧化铝。
所述的聚合物基体，是聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯中的一种或多种的混合物。本实施例中为聚酰亚胺。
前述氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)先将氮化硼纳米片与表面改性剂按照设定的比例超声30～60min，然后经过离心之后70～100℃的烘箱中烘12～48h，得到改性过后的氮化硼纳米片；
(2)将改性过的氮化硼纳米片与导热填料氧化铝按照设定的质量比制成混合液，常温下搅拌2～4h，超声30～60min，使两种导热填料充分接触；
(3)再将超声过后的氮化硼纳米片复合溶液与聚合物基体聚酰亚胺搅拌混合充分，最后将得到的混合液浇筑到玻璃上，并置于真空烘箱中，在50～120℃干燥12～48h，通过真空辅助自组装的方式，制得氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
实施例2
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法，其与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述复合材料由如下质量份比例的组分制成：氮化硼纳米片10，导热填料为石墨烯5，聚合物基体为聚酰亚胺85；
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，所述制备方法为：
(1)将氮化硼纳米片与苄醇按照1:5的比例超声30min，然后经过离心之后100℃的烘箱中烘48h，得到改性过后的氮化硼纳米片。
(2)之后将改性过的氮化硼纳米片与石墨烯按照2：1制成混合液，常温下搅拌2h，超声30min，使两种导热填料充分接触。再将超声过后的氮化硼纳米片复合溶液与聚酰胺溶液搅拌混合充分，最后将得到的混合液浇筑到玻璃上，并置于真空烘箱中，在70℃干燥48h，通过真空辅助自组装的方式获得氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
对实施例2制得的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的导热率和拉伸强度进行测试，其导热率为14.07Wm-1K-1，电绝缘性能为8.74×1018Ω·cm，拉伸强度为80MPa。
实施例3
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其与实施例1、2基本相同，其不同之处在于：
所述复合材料由如下质量份比例的组分制成：氮化硼纳米片为20，导热填料为氮化铝10，聚合物基体为聚乙烯醇70。
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，所述制备方法为：
(1)将氮化硼纳米片与苄醇按照1:5的比例超声30min，然后经过离心之后100℃的烘箱中烘48h，得到改性过后的氮化硼纳米片。
(2)之后将改性过的氮化硼纳米片与氮化铝按照2：1制成混合液，常温下搅拌2h，超声30min，使两种导热填料充分接触。再将超声过后的氮化硼纳米片复合溶液与聚乙烯醇溶液搅拌混合充分，最后将得到的混合液浇筑到玻璃上，并置于真空烘箱中，在70℃干燥48h，通过真空辅助自组装的方式获得氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
对实施例3制得的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的导热率和拉伸强度进行测试，其导热率为14Wm-1K-1，电绝缘性能为7.32×1016Ω·cm，拉伸强度为80MPa。
实施例4
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其与实施例1、2、3基本相同，其不同之处在于：复合材料中氮化硼纳米片为10，导热填料为氮化硼纳米管5，聚合物基体为聚碳酸酯85。
本实施例提供的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，所述制备方法为：
(1)将氮化硼纳米片与苄醇按照1:5的比例超声30min，然后经过离心之后100℃的烘箱中烘48h，得到改性过后的氮化硼纳米片。
(2)之后将改性过的氮化硼纳米片与氮化硼纳米管按照2：1制成混合液，常温下搅拌2h，超声30min，使两种导热填料充分接触。再将超声过后的氮化硼纳米片复合溶液与聚碳酸酯溶液搅拌混合充分，最后将得到的混合液浇筑到玻璃上，并置于真空烘箱中，在70℃干燥48h，通过真空辅助自组装的方式获得氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
对实施例4制得的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的导热率和拉伸强度进行测试，其导热率为11Wm-1K-1，电绝缘性能为9.6×1018Ω·cm，拉伸强度为77MPa。
在其他实施例中，所述的导热填料还可以是碳化硅、碳纳米管、氮化硅中的一种或多种的混合物，所述的聚合物基体，还可以是聚丙烯、聚乙烯中的一种或多种的混合物，均可以达到本发明的技术效果，所以不再一一列出。
参见附图1、2，本发明所述的高分子材料涉及到两种不同的导热填料共同填充到聚合物基体中，以氮化硼纳米片作为主体，其他的导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，更加有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起有效地导热传输路径。所述的复合材料有效地降低了界面热阻，使得热流能够有效完整的运输，实现了高导热性能；同时复合材料还具有优异的电绝缘性能、良好的尺寸稳定性以及力学性能，具有广泛的应用前景。
本发明不限于上述实施方式，采用与本发明相同或相似组分、配比及方法所得的其它氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，均在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于，其由以下质量份数比的组分制成：氮化硼纳米片10～50，导热填料5～10，聚合物基体40～90；
其中，所述的氮化硼纳米片与导热填料复合后，导热填料在与氮化硼纳米片的协同作用下，有序地分散在基体中，使得氮化硼纳米片与其导热填料在聚合物基体中搭建起三维导热传输路径，形成氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
2.如权利要求1所述的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述的导热填料为氧化铝、石墨烯、氮化铝、碳化硅、氮化硼纳米管、碳纳米管、氮化硅中的一种或多种的混合物。
3.如权利要求1所述的氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料，其特征在于：所述的聚合物基体，是聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1～3所述氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)先将氮化硼纳米片与表面改性剂按照设定的比例超声30～60min，然后经过离心之后70～100℃的烘箱中烘12～48h，得到改性过后的氮化硼纳米片；
(2)将改性过的氮化硼纳米片与导热填料按照设定的质量比制成混合液，常温下搅拌2～4h，超声30～60min，使两种导热填料充分接触；
(3)再将超声过后的氮化硼纳米片复合溶液与聚合物基体搅拌混合充分，最后将得到的混合液浇筑到玻璃上，并置于真空烘箱中，在50～120℃干燥12～48h，通过真空辅助自组装的方式，制得氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料。
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