CN113105716B - 一种等离子体改性六方氮化硼/树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
一种等离子体改性六方氮化硼/树脂复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种等离子体改性六方氮化硼/树脂复合材料的制备方法,本发明的复合材料以氮化硼填料为主体,以树脂为基体,主要通过等离子体处理,制备高导热复合材料。本发明通过等离子体放电处理,将化合物在气相中解离成为自由基,然后沉积在氮化硼表面形成包覆膜;包覆膜与树脂基的两种分子链段在两相界面处相互浸润,从而形成良好的黏合,改善了传统的填料与树脂基体较难相容且分散不均匀的情况,进而提高复合材料的热导率。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,属于高分子化学与热管理材料及其制备技术领域。
背景技术
随着电子产品和电子集成的广泛应用,电子元器件的散热问题日益突出。在使用过程中,导热性差会使工作环境温度急剧上升,影响电子器件的稳定性,甚至造成器件损坏。铝和铜是电子器件中最常见的导热材料,但其密度太大,重量太大,不能作为大型LED照明和移动电子设备的散热外壳。此外,这些金属材料的热膨胀系数与半导体设备不兼容,可能会损坏热接触界面,最终影响设备。而以导热填料填充聚合物所制备的复合材料具有重量轻、柔韧性好、电绝缘性好、导热系数高等优点。
在众多的导热填料中,六方氮化硼(hBN)具有类似石墨的层状结构,具有高热导率(面内热导率约为600W/mK和5.9 eV的宽带隙,使其具有优异的电绝缘性能。此外,hBN还具有优异的抗氧化性和耐化学腐蚀性;但同时也因为氮化硼具有的理化惰性,导致其层与层之间难以剥离,以及难以进行表面改性修饰。从而使得传统的制备流程导致填料与基体之间两相难以兼容,以至于制备的复合材料产生较差的性能。近几年来人们尝试利用化学交联剂对氮化硼进行改性,但是交联剂的使用使得聚合物中掺入了多余的材料,对设备以及环境产生一定的影响,并且多数反应需要的高温高压,制备周期长等条件。
等离子体具有有较高的电离和分解程度,用于有机反应的低温等离子体,多由13.56MHz射频低压辉光放电,其能量为2~5eV,恰好与化合物的键能相当。高能态的等离子体粒子在气相中轰击分子表面,使链断裂,产生自由基,然后沉积在基板上成膜。因此,等离子体处理法对于填充型导热材料的制备,有着很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有导热材料及技术的不足,提供等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,利用该方法制备的复合材料具有优良的导热性能和力学性能。
为达成上述目的,本发明所采用的技术方案如下:一种等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,包括如下步骤,
步骤(1),将六方氮化硼粉末放入石英管中,并在所述石英管底接入化合物,通入气体后打开射频源,在气相中辉光放电产生等离子体plasma,随后加热所述化合物;使得化合物挥发至所述石英管内进行反应,处理后得到的管内粉末为改性氮化硼FBN;
步骤(2),将树脂材料与固化剂进行混合,并加热搅拌至树脂材料完全溶解,再向其中加入前述步骤中得到的FBN粉末,保持温度继续搅拌该FBN树脂混合物;
步骤(3),将前述步骤中的FBN树脂混合物进行预固化,再进行热压操作,取出压片进行热固化,最终得到等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料。
进一步的,所述步骤(1)中,石英管底接入的化合物为烷烯烃、氢气以及其他可解离物;通入的气体为惰性气体,包括但不限于氩气。产生Plasma的射频源功率为300W,石英管内压强保持在280Pa,此压强与惰性气体也构成启辉条件,处理时长为5min。
进一步的,所述步骤(2)中,树脂材料包括但不限于环氧树脂或聚乙烯醇。所述步骤(2)中,固化剂为T-31。
进一步的,所述步骤(3)中,热压操作的压强为220MPa,热压的温度为80℃。
本发明的有益效果是:使用等离子体在惰性气相中辉光放电,对氮化硼表面进行刻蚀,使得晶格产生空位,然后加热的化合物溶液被加热挥发至气相中,高能粒子使得化合物气体裂解成为自由基;自由基与氮化硼表面结合,并逐渐沉积成膜。整个反应与传统高温条件相比,极大地提高了反应速率,降低了反应温度,同时等离子体操作便捷,成本低,提高了效率。氮化硼表面的包覆膜,与树脂基体进一步浸润,从而改善了填料与聚合物的连接,极大地提高了填料与基体两相相容性,在高效利用氮化硼导热的同时,完善了复合材料紧致的复合结构。
同时,由于等离子体的应用,使得反应要求条件较低,成本低,提高了反应效率,极大地缩短了反应时间,使得整个操作高效便捷,为高分子材料与热管理材料领域的应用提供了支持。
附图说明
图1是实施例1中原始氮化硼的电镜(SEM)示意图。
图2是实施例1中改性氮化硼的电镜(SEM)示意图。
图3是实施例1中原始氮化硼以及改性氮化硼的红外光谱(FTIR)对照图,其中(a)为原始氮化硼及改性氮化硼在2850~3100cm-1波段的FTIR图,(b) 为原始氮化硼及改性氮化硼在680~720cm-1波段的FTIR图。
图4是实施例2中原始氮化硼以及改性氮化硼的红外光谱(FTIR)对照图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
实施例1:改性氮化硼/环氧树脂导热复合材料。
步骤1,将氮化硼粉末放置在石英管内,通入惰性气体9.6sccmAr,控制石英管内压强为280Pa,打开射频源(设置功率300W)产生等离子体,并加热石英管底的甲苯。自由基在氮化硼表面沉积,并形成包覆膜,制备出改性氮化硼(FBN)。
步骤2,将EP与固化剂T-31进行混合,并加热搅拌至树脂完全溶解,再向其中加入上述的FBN粉末,继续保持温度搅拌。加热搅拌的温度为40℃。
步骤3,将FBN树脂混合物进行80℃预固化30min,再进行220MPa、80℃热压操作,最后取出压片进行最后的120℃热固化1h,得到复合材料(FBN/EP)。所制备的FBN/EP(质量分数73.86wt%),使用德国耐驰LFA467热导仪测量复合材料的热扩散系数,其面内热扩散系数为6.533 mm2/s,垂直热扩散系数为 0.973 mm2/s;面内热导率为13.194 W/mK,垂直热导率为1.965 W/mK。
实施例2:改性氮化硼/聚乙烯醇导热复合材料。
步骤1,将氮化硼粉末放置在石英管内,通入惰性气体9.6sccmAr,控制石英管内压强为280Pa,打开射频源(设置功率300W)产生等离子体,并加热石英管底的去离子水。自由基在氮化硼表面接枝,制备出改性氮化硼(FBN)。
步骤2,将改性氮化硼粉末与聚乙烯醇溶液(质量分数为25wt%)混合,然后将混合物放置烘箱中,80℃、90min烘干后,取出进行220MPa、80℃热压操作。
步骤3,最后取出压片(质量分数87.60wt%),使用德国耐驰LFA467热导仪测量复合材料的热扩散系数,其面内热扩散系数为7.606 mm2/s,垂直热扩散系数为3.601 mm2/s;面内热导率为12.048W/mK,垂直热导率为5.704W/mK。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (5)
1.一种等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤,
步骤(1),将六方氮化硼粉末放入石英管中,并在所述石英管底接入化合物,通入气体后打开射频源,在气相中辉光放电产生等离子体plasma,随后加热所述化合物;使得化合物挥发至所述石英管内进行反应,处理后得到的管内粉末为改性氮化硼FBN;
步骤(2),将树脂材料与固化剂进行混合,并加热搅拌至树脂材料完全溶解,再向其中加入前述步骤中得到的FBN粉末,保持温度继续搅拌FBN树脂混合物;当树脂材料为环氧树脂时,石英管底的化合物为甲苯,当树脂材料为聚乙烯醇时,石英管底的化合物为去离子水;
步骤(3),将前述步骤中的FBN树脂混合物进行预固化,再进行热压操作,取出压片进行热固化,最终得到等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料。
2.根据权利要求1所述的等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,石英管底通入的气体为惰性气体,包括但不限于氩气。
3.根据权利要求1所述的等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,产生Plasma的射频源功率为300W,石英管内压强保持在280Pa,此压强与惰性气体也构成启辉条件,处理时长为5min。
4.根据权利要求1所述的等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,固化剂为T-31。
5.根据权利要求1所述的等离子体改性六方氮化硼/树脂高导热复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,热压操作的压强为220MPa,热压的温度为80℃。
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