CN113817452B - 一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法 - Google Patents

一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮化碳改性碳纳米管制备复合导热硅脂的方法。采用富氮化合物作为氮化碳前驱体，通过热缩聚的方法在碳纳米管表面原位生长氮化碳，制备得到氮化碳改性的碳纳米管，再和其他导热填料与硅油混合，制备导热硅脂。氮化碳的修饰改性可增强碳纳米管界面性能，提高碳纳米管在硅油中的分散度和添加量，有利于在导热硅脂内部形成导热通路，从而提高导热硅脂的导热能力。另一方面，氮化碳作为绝缘材料还可显著降低由碳纳米管引起的导热硅脂导电率的增加，有利于制备高导热高绝缘的导热硅脂。该发明中利用氮化碳对碳纳米管的修饰方法简单有效，成本低廉，有利于产业化。

Description

一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法
技术领域
本发明属于热界面材料技术领域，具体涉及一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法。
背景技术
现代电子信息技术的飞速发展过程中，一个突出的问题是电子元件的散热问题。电子芯片与散热器之间由于加工精度的限制不可避免地存在着空隙，增大了接触热阻，影响芯片的快速传热。导热硅脂是热界面材料中的一种，其主要组成为硅油和导热填料，用于填充芯片与散热器之间的空隙，增大两者之间的接触面积，显著提高散热效果。
目前用于制备导热硅脂的导热填料主要为金属氧化物或氮化物，仍然存在导热性能不佳的问题，无法达到理想的散热效果。而纳米碳材料的导热系数通常较高，如碳纳米管的理论导热系数高达3000Wm-1K-1以上，且一维形貌可连接导热填料有利于构建导热通路，仅需要少量添加即可显著提高复合材料的热导率。但是碳纳米管由于表面官能团的缺乏，容易发生缠结和团聚，影响在体系中的均匀分散和填充量，不利于导热网络形成，同时还会明显增加导电性，显著降低导热硅脂的绝缘性能。为解决这个问题，一个有效的方法是对碳纳米管进行化学修饰，例如通过酯化反应在其表面引入有机层，可显著改善碳纳米管在硅油体系中的分散进而提高导热性能。然而该化学修饰过程复杂烦冗，反应条件苛刻，产率较低，难以实现量产。因此，寻找简单有效的修饰碳纳米管的方法仍然是其在导热硅脂领域应用中一个亟需解决的问题。
氮化碳是近年来获得关注的一种不含金属的半导体聚合物材料，其化学组成为C3N4，主要通过富氮前驱体如尿素、氰胺、三聚氰胺等热缩聚制备而成，具有类似石墨的二维层状结构。氮化碳具有化学组成易调控、电绝缘性、柔性结构、稳定性高、廉价环保等优点，广泛应用于可见光催化产生新能源和降解污染物等领域，以及构筑光电器件。氮化碳结构中具有疏水的共轭平面和丰富的亲水端基或侧基，显示出两亲性能，可作为固体乳化剂稳定水油两相界面，也可用来分散难溶于水的固体材料如石墨烯、碳纳米管等。理论模拟计算发现氮化碳的导热系数在14.1～111.9W m-1K-1之间，且具有良好的电绝缘性，有望作为导热填料应用，但是目前的报道还较少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，所述制备方法是先将氮化碳前驱体与碳纳米管进行复合，在碳纳米管表面原位制备氮化碳，可以提高碳纳米管表面的粗糙度，功能基团和润湿度，增强界面性能，从而提高导热硅脂的导热能力，同时还可增加碳纳米管的电阻，提高导热硅脂的绝缘性能。该修饰方法简单高效，成本低廉，能够满足市场需求。
本发明在碳纳米管的改性方面采用的是热缩聚的方法。体系中包括碳纳米管和氮化碳前驱体，通过调节氮化碳前驱体的化学结构、质量比例、煅烧温度等条件来改变碳纳米管的表面性能。该方法步骤简单，原料广泛且成本低廉，制备得到的碳纳米管在硅油中的分散性好，有利于制备高导热和高绝缘的导热硅脂。
一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，具体步骤如下：
(1)将富氮前驱体与碳纳米管按一定比例、一定方式混合并处理后，得到干燥的混合物；
(2)将步骤(1)中的混合物放入马弗炉或管式炉中，在一定气氛条件下，设置一定升温速率，在一定温度下保温一定时间后，降温至室温，获得氮化碳改性的碳纳米管；
(3)按重量份配比称料：硅油1-20份，基础导热填料50-99份，氮化碳修饰的碳纳米管0.01-20份，功能助剂0-10份；
(4)将硅油和功能助剂加入真空搅拌设备中混合均匀，得到混合液；
(5)将基础导热填料加入到步骤(4)的混合液中，研磨混合后，真空搅拌设备中混合均匀；
(6)将氮化碳修饰的碳纳米管加入到步骤(5)的混合液中，研磨混合后，真空搅拌设备中混合均匀，得到导热硅脂。
进一步地，步骤(1)所述富氮前驱体为尿素、氰胺、双氰胺、三聚氰胺、三聚氰酸、巴比妥酸、硫脲、2,4-二氨基-6-苯基-1,3,5-三嗪中的一种或多种混合物。
进一步地，步骤(1)所述碳纳米管为单壁或多壁，管径为10-30纳米，长度为0.5-100微米，其表面官能团为羟基、羧基、氨基中的一种或多种。
进一步地，步骤(1)所述富氮前驱体与碳纳米管比例为质量比在1:100-100:1之间。步骤(1)所述一定方式为手动研磨、放入球磨机进行球磨分散、分散在溶剂中进行超声、搅拌、震荡等中的一种或多种；所述处理过程为过滤、洗涤、干燥、冷冻干燥等。
进一步地，步骤(2)所述一定气氛为空气、氮气、氩气、氦气等；所述升温速率为0.1-20℃/min；所述一定温度为300-600度；所述一定保温时间为0.5-24小时。
进一步地，步骤(3)所述硅油是二甲基硅油、苯甲基硅油、乙烯基硅油、环氧硅油、含氢硅油、羟基硅油、羧基硅油、氨基硅油、长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油等的一种或多种混合物。
进一步地，步骤(3)所述基础导热填料是氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、石墨烯、铝粉、银粉、铜粉、金刚石粉、石墨、碳纤维中的一种或多种混合物。
进一步地，步骤(3)所述基础导热填料粒径为0.1-50微米。
进一步地，步骤(3)中所述功能助剂为有机硅烷偶联剂、稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂中的一种或多种组分。
与现有技术相比，本发明的导热硅脂的性能有如下优点：氮化碳的引入有利于碳纳米管在导热硅脂中的分散，减少碳纳米管易缠结和团聚现象，形成有效的导热网络，降低界面之间的接触热阻，达到提高导热硅脂导热性能的目的。氮化碳的引入也可增加碳纳米管的电阻，从而提高导热硅脂的绝缘性能。该碳纳米管的修饰方法简单有效，成本低廉，所制备的导热硅脂具有高导热系数和高体积电阻率，具有较高的实用价值。该制备方法较为简单有效，可实现产业化生产。
具体实施方式
实施例1
(1)氮化碳改性碳纳米管的制备：将0.5g羧基化的碳纳米管与5g三聚氰胺分散在200mL水中，震荡12小时，抽滤并干燥后放入管式炉中，气氛为氮气，设置加热速率为5℃/min，升温至550度保温2小时，冷却至室温后获得氮化碳改性的碳纳米管。
(2)导热硅脂的制备：称取1.2g硅油和7g平均粒径为30微米的氮化铝，研磨均匀后放入行星式搅拌仪，设置转速为2000r/min，真空搅拌1分钟取出；加入1.5g平均粒径为1微米的氮化铝，研磨后放入行星式搅拌仪，真空搅拌1分钟后取出；再加入0.3g氮化碳改性的碳纳米管，研磨后放入行星式搅拌仪，真空搅拌1分钟后取出，即获得导热硅脂。
该实施例制备的导热硅脂的导热系数用夏溪TC3000E导热系数仪测试为6.0W m- 1K-1，体积电阻率为1.8×109Ω·cm。
实施例2
(1)氮化碳改性碳纳米管的制备：将0.5g羧基化的碳纳米管与3g 2,4-二氨基-6-苯基-1,3,5-三嗪分散到200mL甲醇中，震荡12小时，除去溶剂，放入真空烘箱中干燥12小时，得到的混合物放入管式炉中，气氛为氮气，设置加热速率为5℃/min，升温至370度保温2小时，冷却至室温后获得氮化碳改性的碳纳米管。
(2)导热硅脂的制备：称取1.5g硅油和6g平均粒径为30微米的氧化铝，研磨均匀后放入行星式搅拌仪，设置转速为2000r/min，真空搅拌1分钟取出；加入1.5g平均粒径为1微米的氧化锌研磨后，再放入行星式搅拌仪，真空搅拌1分钟取出；再加入0.5g氮化碳改性的碳纳米管研磨均匀后，放入行星式搅拌仪，真空搅拌1分钟后取出，即获得导热硅脂。
该实施例制备的导热硅脂的导热系数用夏溪TC3000E导热系数仪测试为3.1W m- 1K-1，体积电阻率为4.7×109Ω·cm。

Claims (6)

1.一种氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将富氮前驱体2,4-二氨基-6-苯基-1,3,5-三嗪与碳纳米管按质量比为1:100-3:0.5、一定方式混合并处理后，得到干燥的混合物；所述一定方式为手动研磨、放入球磨机进行球磨分散、分散在溶剂中进行超声、搅拌、震荡中的一种或多种；步骤（1）所述处理过程为过滤、洗涤、干燥、冷冻干燥；
（2）将步骤（1）中的混合物放入马弗炉或管式炉中，在一定气氛条件下，设置升温速率为0.1-5℃/min，在300-370℃温度下保温0.5-3小时后，降温至室温，获得氮化碳改性的碳纳米管；所述一定气氛为空气、氮气、氩气或氦气；
（3）按重量份配比称料：硅油1-20份，基础导热填料50-99份，氮化碳修饰的碳纳米管0.01-20份，功能助剂0-10份；
（4）将硅油和功能助剂加入真空搅拌设备中混合均匀，得到混合液；
（5）将基础导热填料加入到步骤（4）的混合液中，研磨混合后，真空搅拌设备中混合均匀；
（6）将氮化碳修饰的碳纳米管加入到步骤（5）的混合液中，研磨混合后，真空搅拌设备中混合均匀，得到导热硅脂。
2.根据权利要求1所述的氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述碳纳米管为单壁或多壁，管径为10-30纳米，长度为0.5-100微米，其表面官能团为羟基、羧基、氨基中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述硅油是二甲基硅油、苯甲基硅油、乙烯基硅油、环氧硅油、含氢硅油、羟基硅油、羧基硅油、氨基硅油、长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求1所述的氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述基础导热填料是氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、石墨烯、铝粉、银粉、铜粉、金刚石粉、石墨、碳纤维中的一种或多种混合物。
5.根据权利要求1所述的氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述基础导热填料粒径为0.1-50微米。
6.根据权利要求1所述的氮化碳改性碳纳米管复合导热硅脂的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述功能助剂为有机硅烷偶联剂、稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂中的一种或多种组分。
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