CN112705702A - 一种铝粉表面的改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝粉表面的改性方法，包括以下步骤：将硅烷偶联剂、去离子水和无水乙醇按一定比例配置成混合溶液；将混合溶液加入反应容器中，然后加入铝粉，冷凝回流，在70‑80℃下持续搅拌4‑5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉。本发明铝粉表面的改性方法中铝粉表面处理的方法为化学处理法，硅烷偶联剂通过化学键的方式接枝到铝粉表面，铝粉表面的极性显著降低，其在聚合物基底中的团聚被有效的降低，分散性更好，与聚合物基底之间的接触面积变的更大。将其用于导热凝胶中，使得改性铝粉与聚合物基底之间的界面强度更高。与未改性铝粉相比，改性铝粉由于其与聚合物有更好的相容性，在相同的填料分数下，改性铝粉所制备的导热凝胶具有更好的机械性能。
Description
技术领域
本发明属于热界面材料技术领域，涉及一种铝粉表面的改性方法。
背景技术
铝粉由于成本低廉、易获取、易加工、导热率高等优良的物理特性，铝粉作为填料在热界面材料工业生产中应用非常广泛。但铝粉的表面极性较大，在聚合物基底中极易团聚，铝粉的团聚会减少其与聚合物之间的接触面积，减少了填料-聚合物的界面区域，难以充分发挥铝粉填料的补强性和功能性。铝粉的分散和铝粉-聚合物间的界面强度是影响导热凝胶复合材料性能的两个重要因素，改善铝粉分散和提高界面强度是优化改善导热凝胶复合材料性能的主要方法。由于铝粉是无机填料，因此与聚合物的界面作用弱。强界面相互作用可以实现高形状系数填料的有效分散，铝粉与聚合物之间的界面性能调控是制备性能优异热界面的主要技术途径之一。基于此，提供一种铝粉表面的改性方法使得到的改性铝粉与聚合物间的界面作用增强是很有必要的。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种铝粉表面的改性方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供了一种铝粉表面的改性方法，包括以下步骤：
1)将硅烷偶联剂、去离子水和无水乙醇按一定比例配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入反应容器中，然后加入铝粉，冷凝回流，在70-80℃下持续搅拌4-5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉。
进一步地，所述硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇的质量比为1-1.1：1-1.1：3-3.1。
进一步地，所述硅烷偶联剂包括辛基三甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷和十六烷基三甲氧基硅烷中的一种。
进一步地，所述铝粉的质量为硅烷偶联剂质量的200-210倍；
优选地，所述铝粉的粒径为1-2μm或13-15μm；
优选地，所述铝粉为球状铝粉。
另一方面，本发明提供了一种硅烷偶联剂改性铝粉，由上述任一所述的铝粉表面的改性方法制备得到。
另一方面，本发明提供了一种导热凝胶，包括以下重量份的原料组分：
硅烷偶联剂改性铝粉720-730份、氧化锌165-170份、乙烯基硅油75-85份、含氢硅油15-25份、抑制剂0.04-0.05份、催化剂0.15-0.18份。
进一步地，硅烷偶联剂改性铝粉选自粒径为1-2μm的铝粉制备得到的硅烷偶联剂改性铝粉、粒径为13-15μm的铝粉制备得到的硅烷偶联剂改性铝粉中的一种或多种。
进一步地，所述乙烯基硅油选自电子级乙烯基硅油(如浙江润禾有机硅新材料有限公司的RH-100和RH500)；
优选地，所述含氢硅油选自端含氢硅油(如浙江润禾有机硅新材料有限公司的RH-35和RH-DH07)。
进一步地，所述抑制剂选自2-苯基-3-丁炔-2-醇、叔丁基邻苯二酚、对苯二酚三者中的一种；
优选地，所述催化剂选自铂金催化剂(如信越化学的CAT-PL-56)。
再一方面，本发明提供了一种上述任一所述的导热凝胶的制备方法，包括以下步骤：
1)将乙烯基硅油、含氢硅油和抑制剂混合，然后超声分散使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
2)将硅烷偶联剂改性铝粉和氧化锌加入到1)中进行混合，然后在真空环境中90-100℃下搅拌1-1.5小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入催化剂，在室温下真空搅拌30-40分钟制得所述导热凝胶。
本发明的有益效果是，本发明铝粉表面的改性方法中铝粉表面处理的方法为化学处理法，硅烷偶联剂通过化学键的方式接枝到铝粉表面，硅烷偶联剂相当于一个桥梁，一端与聚合物基底有很好的亲和性，另外一端通过化学键已经牢牢地接枝在了铝粉表面，铝粉表面的极性显著降低，其在聚合物基底中的团聚被有效的降低，分散性更好，与聚合物基底之间的接触面积变的更大。将其用于导热凝胶中，使得改性铝粉与聚合物基底之间的界面强度更高。
与未改性铝粉相比，改性铝粉由于其与聚合物有更好的相容性，在相同的填料分数下，改性铝粉所制备的导热凝胶具有更好的机械性能，由于改性后铝粉在聚合物基底中的分散性更好，所以相对于未改性铝粉，在相同的机械性能下改性铝粉的填充量会更小，因此导热性能也会更优。在保证相同导热率的情况下，通过化学处理的铝粉作为填料其机械性能更加优异，可靠性更高，并且本发明铝粉表面的改性方法工艺简单、成本经济、简单易行。
本发明在保证相同机械性能的前提下，显著降低了铝粉使用量，显著降低成本，通过铝粉表面改性实现了硅油/铝粉/硅烷偶联剂热界面材料的界面构筑和调控。通过铝粉的表面改性的方式调控了铝粉填料在聚合物基体中的分散状态和填料聚合物间的界面强度，对于推进导热界面材料的实际生产应用、降低成本有很大的意义。
附图说明
图1为本发明铝粉表面改性方法得到的改性铝粉中硅烷偶联剂在铝粉表面的接枝示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
本发明铝粉表面改性方法得到的改性铝粉中硅烷偶联剂在铝粉表面的接枝示意图如图1所示，本发明铝粉表面的改性方法中铝粉表面处理的方法为化学处理法，硅烷偶联剂通过化学键的方式接枝到铝粉表面，。
实施例1
铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将辛基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为1-2μm的铝粉(铝粉在混合溶液中的质量分数为40％)，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将辛基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为13-15μm的铝粉，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
导热凝胶的制备：1)称取以下重量份数的原料：243份铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、486份铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉、171份氧化锌、25份乙烯基硅油RH-100、55份乙烯基硅油RH-500、5份含氢硅油RH-H35、15份含氢硅油RH-DH07、0.05份2-苯基-3-丁炔-2-醇、0.2份CAT-PL-56；
2)将乙烯基硅油RH-100、乙烯基硅油RH-500、含氢硅油RH-H35、含氢硅油RH-DH07和2-苯基-3-丁炔-2-醇混合，然后超声分散30分钟使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
3)将铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉和氧化锌加入到2)中进行混合，使用行星机进行搅拌，搅拌5分钟之后抽真空，同时升温至90℃，在90℃真空环境下搅拌1小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入CAT-PL-56，在室温下持续脱气抽真空搅拌30分钟，制备成膏状导热凝胶。
实施例2
铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将癸基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为1-2μm的铝粉(铝粉在混合溶液中的质量分数为40％)，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将癸基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为13-15μm的铝粉，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
导热凝胶的制备：1)称取以下重量份数的原料：243份铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、486份铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉、171份氧化锌、25份乙烯基硅油RH-100、55份乙烯基硅油RH-500、5份含氢硅油RH-H35、15份含氢硅油RH-DH07、0.05份2-苯基-3-丁炔-2-醇、0.2份CAT-PL-56；
2)将乙烯基硅油RH-100、乙烯基硅油RH-500、含氢硅油RH-H35、含氢硅油RH-DH07和2-苯基-3-丁炔-2-醇混合，然后超声分散30分钟使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
3)将铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉和氧化锌加入到2)中进行混合，使用行星机进行搅拌，搅拌5分钟之后抽真空，同时升温至90℃，在90℃真空环境下搅拌1小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入CAT-PL-56，在室温下持续脱气抽真空搅拌30分钟，制备成膏状导热凝胶。
实施例3
铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将十二烷基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为1-2μm的铝粉(铝粉在混合溶液中的质量分数为40％)，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将十二烷基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为13-15μm的铝粉，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
导热凝胶的制备：1)称取以下重量份数的原料：243份铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、486份铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉、171份氧化锌、25份乙烯基硅油RH-100、55份乙烯基硅油RH-500、5份含氢硅油RH-H35、15份含氢硅油RH-DH07、0.05份2-苯基-3-丁炔-2-醇、0.2份CAT-PL-56；
2)将乙烯基硅油RH-100、乙烯基硅油RH-500、含氢硅油RH-H35、含氢硅油RH-DH07和2-苯基-3-丁炔-2-醇混合，然后超声分散30分钟使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
3)将铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉和氧化锌加入到2)中进行混合，使用行星机进行搅拌，搅拌5分钟之后抽真空，同时升温至90℃，在90℃真空环境下搅拌1小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入CAT-PL-56，在室温下持续脱气抽真空搅拌30分钟，制备成膏状导热凝胶。
实施例4
铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将十六烷基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为1-2μm的铝粉(铝粉在混合溶液中的质量分数为40％)，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉的制备：1)将十六烷基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按质量比为1：1：3配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入三颈烧瓶中，然后加入粒径为13-15μm的铝粉，冷凝回流，在75℃下持续搅拌5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉，将硅烷偶联剂改性铝粉离心、洗涤、真空烘干后备用。
导热凝胶的制备：1)称取以下重量份数的原料：243份铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、486份铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉、171份氧化锌、25份乙烯基硅油RH-100、55份乙烯基硅油RH-500、5份含氢硅油RH-H35、15份含氢硅油RH-DH07、0.05份2-苯基-3-丁炔-2-醇、0.2份CAT-PL-56；
2)将乙烯基硅油RH-100、乙烯基硅油RH-500、含氢硅油RH-H35、含氢硅油RH-DH07和2-苯基-3-丁炔-2-醇混合，然后超声分散30分钟使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
3)将铝粉粒径为1-2μm的硅烷偶联剂改性铝粉、铝粉粒径为13-15μm的硅烷偶联剂改性铝粉和氧化锌加入到2)中进行混合，使用行星机进行搅拌，搅拌5分钟之后抽真空，同时升温至90℃，在90℃真空环境下搅拌1小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入CAT-PL-56，在室温下持续脱气抽真空搅拌30分钟，制备成膏状导热凝胶。
对比例1
导热凝胶的制备：1)称取以下重量份数的原料：243份未经处理的粒径为1-2μm的铝粉、486份未经处理的粒径为13-15μm的铝粉、171份氧化锌、25份乙烯基硅油RH-100、55份乙烯基硅油RH-500、5份含氢硅油RH-H35、15份含氢硅油RH-DH07、0.05份2-苯基-3-丁炔-2-醇、0.2份CAT-PL-56；
2)将乙烯基硅油RH-100、乙烯基硅油RH-500、含氢硅油RH-H35、含氢硅油RH-DH07和2-苯基-3-丁炔-2-醇混合，然后超声分散30分钟使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
3)将未经处理的粒径为1-2μm的铝粉、未经处理的粒径为13-15μm的铝粉和氧化锌加入到2)中进行混合，使用行星机进行搅拌，搅拌5分钟之后抽真空，同时升温至90℃，在90℃真空环境下搅拌1小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入CAT-PL-56，在室温下持续脱气抽真空搅拌30分钟，制备成膏状导热凝胶。
对实施例1-4和对比例1中制备得到的导热凝胶进行测试分析，不同条件处理下的铝粉填料对导热凝胶性能的影响结果如下表所示：
注：上表中填充分数为改性铝粉、氧化锌填料的总质量与改性铝粉、氧化锌、混合硅油总质量的比。
从表中可以看到，按照本发明的处理方法使用不同的硅烷偶联剂处理的铝粉，填充量为90％时，导热凝胶导热率可达4W m-1K-1以上，已达到了市场上导热凝胶的高水平(市场的导热凝胶的导热率一般在2～3W m-1K-1左右)，在填充量保持一定的情况下，通过按照本发明的处理方法使用不同的硅烷偶联剂处理的铝粉，断裂伸长率都在100％以上，较未改性铝粉断裂伸长率最大可提高366％。按照本发明的方法处理后的铝粉所制备的导热凝胶其黏度基本都在300以下，最大可降低76％，可见经过改性后的铝粉做为填料所制备的导热凝胶具有更好的机械性能，极大的提高了产品的竞争力，该产品可广泛用于芯片、通讯基站、高功率LED散热充电桩和LCD等电子封装领域。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种铝粉表面的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将硅烷偶联剂、去离子水和无水乙醇按一定比例配置成混合溶液；
2)将1)中混合溶液加入反应容器中，然后加入铝粉，冷凝回流，在70-80℃下持续搅拌4-5小时得到硅烷偶联剂改性铝粉。
2.根据权利要求1所述的铝粉表面的改性方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇的质量比为1-1.1：1-1.1：3-3.1。
3.根据权利要求1所述的铝粉表面的改性方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括辛基三甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷和十六烷基三甲氧基硅烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的铝粉表面的改性方法，其特征在于，所述铝粉的质量为硅烷偶联剂质量的200-210倍；
优选地，所述铝粉的粒径为1-2μm或13-15μm；
优选地，所述铝粉为球状铝粉。
5.一种硅烷偶联剂改性铝粉，其特征在于，由权利要求1-4任一项所述的铝粉表面的改性方法制备得到。
6.一种导热凝胶，其特征在于，包括以下重量份的原料组分：
权利要求5所述硅烷偶联剂改性铝粉720-730份、氧化锌165-170份、乙烯基硅油75-85份、含氢硅油15-25份、抑制剂0.04-0.05份、催化剂0.15-0.18份。
7.根据权利要求6所述的导热凝胶，其特征在于，权利要求5所述的硅烷偶联剂改性铝粉选自粒径为1-2μm的铝粉制备得到的硅烷偶联剂改性铝粉、粒径为13-15μm的铝粉制备得到的硅烷偶联剂改性铝粉中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的导热凝胶，其特征在于，所述乙烯基硅油选自电子级乙烯基硅油；
优选地，所述含氢硅油选自端含氢硅油。
9.根据权利要求6所述的导热凝胶，其特征在于，所述抑制剂选自2-苯基-3-丁炔-2-醇、叔丁基邻苯二酚、对苯二酚三者中的一种；
优选地，所述催化剂选自铂金催化剂。
10.权利要求6-9任一项所述的导热凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将乙烯基硅油、含氢硅油和抑制剂混合，然后超声分散使抑制剂充分分散在乙烯基硅油和含氢硅油中；
2)将权利要求5所述的硅烷偶联剂改性铝粉和氧化锌加入到1)中进行混合，然后在真空环境中90-100℃下搅拌1-1.5小时，之后停止加热继续在真空环境中搅拌，冷却至室温时加入催化剂，在室温下真空搅拌30-40分钟制得所述导热凝胶。
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