CN112063345B - 一种纳米导电导热胶及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米导电导热胶及其应用，包括如下制备原料：表面包裹有金属层的多壁碳纳米管、纳米焊锡填料、环氧树脂体系和助焊剂，其中，所述表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1~1.2，所述金属层中掺杂有硼或硅元素，所述硼或硅元素的掺杂量为金属层总质量的5~8%。通过在金属包覆材料中掺杂硼或硅元素提高金属包覆多壁碳纳米管的导电性；通过碳纳米管的加入，提高了导电导热胶的比表面，纳米焊锡熔化后，将碳纳米管连接起来，形成三维导电结构，大大提升了导电率，减少了填料用量，节约了生产成本；采用纳米结构焊锡填料，使其具有更好地分散性及更大的比表面积，增加同等添加量下的导电性。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件制备技术领域，具体涉及一种纳米导电导热胶及其应用。
背景技术
近年来，随着电子技术的不断发展，电子类产品不断更新换代，其工作组件的尺寸越来越小，运转速度越来越高，使得其产热量也越来越大，因此，为保证其性能的稳定性，必须及时散热。在电子产品的软性线路及边框固定过程中，通常需要使用胶带固定，传统胶带不具备导电、导热功能，影响电子产品性能。现有技术中通常使用导电导热胶带，通过在导电或导热基材两面涂布导电导热胶制成。
导电导热胶是一种固化或干燥后具有一定导电和导热性能的胶黏剂，其通常以树脂基体和导电导热填料为主要组成成分，通过基体的粘结作用将导电填料粒子结合，在其内部形成导电通路，实现被粘材料的导电连接。尽管现有技术中的导电导热胶同时兼具导电、导热功能，但为保证导电性能，通常需要在导电导热胶中添加较多的导电填料，这不仅使得生产成本被大幅增加，同时，还会存在力学性能较差的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种纳米导电导热胶，能够减少导电填料的用量，同时，提高了导电性能。
本发明还提出一种上述纳米导电导热胶的应用。
根据本发明的第一方面实施方式的纳米导电导热胶，包括如下制备原料：表面包裹有金属层的多壁碳纳米管、纳米焊锡填料、环氧树脂体系和助焊剂，其中，所述表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1~1.2，所述金属层中掺杂有硼或硅元素，所述硼或硅元素的掺杂量为金属层总质量的5~8%。
根据本发明的一些实施方式，所述金属层通过磁控溅射法设于所述多壁碳纳米管的表面上。通过磁控溅射法包覆，使得包覆更均匀。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米焊锡填料的粒径不大于30nm。
根据本发明的一些实施方式，所述环氧树脂体系包含如下重量份的组分：环氧树脂100份、固化剂10~20份、促进剂0.2~1份、复合偶联剂0.5~2份、稀释剂1~10份、消泡剂0.2~0.5份、抗氧化剂0.1~1份。
根据本发明的一些实施方式，所述复合偶联剂为经过预加热处理的两种以上含有不同官能团的偶联剂偶联反应制得。通过预加热处理，使得含有不同官能团的偶联剂间进行偶联，使得导电导热胶整体致密性更高，有效提升导电导热胶的机械力学性能，同时，还能有效改善纳米焊锡填料与环氧树脂体系间的界面结合力，降低介电损耗，提升导电性。
根据本发明的一些实施方式，所述助焊剂包含松香、合成树脂、活性剂和表面活性剂。
根据本发明的一些实施方式，所述活性剂选自有机酸活性剂。
根据本发明的一些实施方式，所述表面活性剂由十六烷基三甲基溴化铵与PEG-600复配而成。采用复配表面活性剂，使得其能更好地降低溶剂体系的表面张力，增强焊料与环氧树脂体系的润湿性，降低助焊剂的腐蚀性，减少松香使用量。
根据本发明的一些实施方式，所述金属选自镍、铜、铁或银中的至少一种。
根据本发明实施方式的纳米导电导热胶，至少具有如下有益效果：通过在金属包覆材料中掺杂硼或硅元素提高金属包覆多壁碳纳米管的导电性；掺杂量在5~8%之间，控制表面缺陷的量，更好地提升其导电性；通过碳纳米管的加入，提高了导电导热胶的比表面，纳米焊锡熔化后，将碳纳米管连接起来，形成三维导电结构，大大提升了导电率，减少了填料用量，节约了生产成本；采用纳米结构焊锡填料，使其具有更好地分散性及更大的比表面积，增加同等添加量下的导电性。
根据本发明的第二方面实施方式的应用，上述导电导热胶在导电导热胶带制备中的应用。
上述导电导热胶在电子元器件制备中的应用。
根据本发明实施方式的应用，至少具有如下有益效果：本发明方案的导电导热胶具有良好的应用前景。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。其他实施例或对照例中未特别说明的参数则与实施例一相同。
本发明的实施例一为：一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：10重量份表面包裹有银层的多壁碳纳米管、30重量份纳米焊锡填料（粒径为5~20nm）、50重量份环氧树脂体系和10重量份助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1，银层中掺杂有硼元素，硼元素的掺杂量为金属层总质量的5%。银通过磁控溅射法设于多壁碳纳米管（购于南京先丰纳米材料科技有限公司XFM19）的表面上。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）10份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）1份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得）2份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）10份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.5份、抗氧化剂（IRGANOX1010）1份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）30份、合成树脂（氢化松香甘油酯）10份、活性剂（苹果酸）5份和表面活性剂（乳化剂OP-6）3份。
本发明的实施例二为：一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：表面有银层的多壁碳纳米管、纳米焊锡填料、环氧树脂体系和助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1.2，银层中掺杂有硅元素，硅元素的掺杂量为金属层总质量的8%。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）15份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）0.8份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得）1份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）5份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.4份、抗氧化剂（IRGANOX1010）0.6份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）35份、合成树脂（氢化松香甘油酯）8份、活性剂（苹果酸）6份和表面活性剂（乳化剂OP-6）5份。
本发明的实施例三为：一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：表面有银层的多壁碳纳米管、纳米焊锡填料、环氧树脂体系和助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1.1，银层中掺杂有硅元素，硅元素的掺杂量为金属层总质量的6%。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）20份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）0.2份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得）0.5份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）1份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.2份、抗氧化剂（IRGANOX1010）0.1份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）20份、合成树脂（氢化松香甘油酯）5份、活性剂（苹果酸）5份和表面活性剂（乳化剂OP-6）3份。
本发明对照例一为：一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：10重量份表面包裹有银层的多壁碳纳米管、30重量份纳米焊锡填料（粒径为5~20nm）、50重量份环氧树脂体系和10重量份助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1。银通过磁控溅射法设于多壁碳纳米管（购于南京先丰纳米材料科技有限公司XFM19）的表面上。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）10份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）1份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得）2份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）10份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.5份、抗氧化剂（IRGANOX1010）1份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）30份、合成树脂（氢化松香甘油酯）10份、活性剂（苹果酸）5份和表面活性剂（乳化剂OP-6）3份。其与实施例一的区别在于：多壁碳纳米管的表面的金属层中未掺杂有其他元素。
本发明对照例二为：一种纳米导电导热胶，一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：10重量份表面包裹有银层的多壁碳纳米管、30重量份纳米焊锡填料（粒径为5~20nm）、50重量份环氧树脂体系和10重量份助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1，银层中掺杂有硼元素，硼元素的掺杂量为金属层总质量的2%。银通过磁控溅射法设于多壁碳纳米管（购于南京先丰纳米材料科技有限公司XFM19）的表面上。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）10份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）1份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得）2份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）10份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.5份、抗氧化剂（IRGANOX1010）1份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）30份、合成树脂（氢化松香甘油酯）10份、活性剂（苹果酸）5份和表面活性剂（乳化剂OP-6）3份。其与实施例一的区别在于：金属层中硼的掺杂量为偏低。
本发明对照例三为：一种纳米导电导热胶，一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：10重量份表面包裹有银层的多壁碳纳米管、30重量份纳米焊锡填料（粒径为5~20nm）、50重量份环氧树脂体系和10重量份助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1，银层中掺杂有硼元素，硼元素的掺杂量为金属层总质量的10%。银通过磁控溅射法设于多壁碳纳米管（购于南京先丰纳米材料科技有限公司XFM19）的表面上。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）10份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）1份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得）2份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）10份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.5份、抗氧化剂（IRGANOX1010）1份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）30份、合成树脂（氢化松香甘油酯）10份、活性剂（苹果酸）5份和表面活性剂（乳化剂OP-6）3份。其与实施例一的区别在于：金属层中硼的掺杂量为偏高。
本发明对照例四为：一种纳米导电导热胶，一种纳米导电导热胶，包括如下制备原料：10重量份表面包裹有银层的多壁碳纳米管、30重量份纳米焊锡填料（粒径为5~20nm）、50重量份环氧树脂体系和10重量份助焊剂，其中，表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1，银层中掺杂有硼元素，硼元素的掺杂量为金属层总质量的5%。银通过磁控溅射法设于多壁碳纳米管（购于南京先丰纳米材料科技有限公司XFM19）的表面上。
环氧树脂体系由如下重量份的组分组成：环氧树脂（广州凯绿葳化工有限公司，NPEL-127低粘度环氧树脂）100份、固化剂（甲基T-31改性胺）10份、促进剂（2-乙基-4甲基咪唑）1份、复合偶联剂（三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合即得）2份、稀释剂（1，4-丁二醇二缩水甘油醚）10份、消泡剂（聚二甲基硅氧烷，广州旭美化工科技有限公司，AK10）0.5份、抗氧化剂（IRGANOX1010）1份。
助焊剂由如下重量份的组分混合而得：有机溶剂（乙醇）50份、松香（水白松香）30份、合成树脂（氢化松香甘油酯）10份、活性剂（苹果酸）5份和表面活性剂（乳化剂OP-6）3份。其与实施例一的区别在于：其使用的偶联剂为三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂1:1的混合物（未经加热反应）。
上述纳米导电导热胶的制备方法如下：
取0.5g表面包裹有银层的多壁碳纳米管加入30ml乙醇中，超声分散0.5h；在40rpm转速下，依次加入纳米焊锡填料、环氧树脂体系和助焊剂，搅拌1h后即得。
为测试其性能，将将混合后的浆料涂布于基材上（涂胶量为22g/平方米），于80℃恒湿烘箱中干燥固化0.5h。测试其电阻率（采用四位电阻仪测试其表面电阻率）、热导率（测试依照ASTM C518标准来进行）及剪切强度（采用GB/T7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》方法进行测试），结果如下表1所示：
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对照例1 | 对照例2 | 对照例3 | 对照例4 | |
| 电阻率（*10-5Ωcm） | 0.5 | 0. 15 | 0. 8 | 17.5 | 5.6 | 10.2 | 1.7 |
| 热导率（W/mK） | 1.5 | 1.8 | 1.4 | 0.5 | 0.7 | 0.9 | 1.0 |
| 剪切强度（MPa） | 16 | 18 | 17 | 4 | 15 | 17 | 0.5 |
从上表可以看出，相比于本发明实施例方案，当不掺杂杂质元素时，其导电、导热性能显著降低，当掺杂量过低或过高时，也均使得导电性能出现一定程度的下降，而复合偶联剂的使用可进一步提升其力学性能。
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及内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种纳米导电导热胶，其特征在于：包括如下制备原料：表面包裹有金属层的多壁碳纳米管、纳米焊锡填料、环氧树脂体系和助焊剂，其中，所述表面包裹有金属层的多壁碳纳米管中碳/金属重量比为1~1.2，所述金属层中掺杂有硼或硅元素，所述硼或硅元素的掺杂量为金属层总质量的5~8%；所述环氧树脂体系包含如下重量份的组分：环氧树脂100份、固化剂10~20份、促进剂0.2~1份、复合偶联剂0.5~2份、稀释剂1~10份、消泡剂0.2~0.5份、抗氧化剂0.1~1份；所述复合偶联剂由三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯偶联剂与KH560硅烷偶联剂按1:1混合，在150℃下加热反应2h后制得；所述助焊剂包含松香、合成树脂、活性剂和表面活性剂，所述活性剂选自有机酸活性剂。
2.根据权利要求1所述的纳米导电导热胶，其特征在于：所述金属层通过磁控溅射法设于所述多壁碳纳米管的表面上。
3.根据权利要求1所述的纳米导电导热胶，其特征在于：所述纳米焊锡填料的粒径不大于30nm。
4.根据权利要求1所述的纳米导电导热胶，其特征在于：所述表面活性剂由十六烷基三甲基溴化铵与PEG-600复配而成。
5.一种如权利要求1至4任一项所述导电导热胶在导电导热胶带制备中的应用。
6.一种如权利要求1至4任一项所述导电导热胶在电子元器件制备中的应用。
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Denomination of invention: A nano conductive thermal conductive adhesive and its application Effective date of registration: 20231228 Granted publication date: 20220719 Pledgee: Ningxiang Hunan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: Hunan ChuangJin Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980075040 |
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