CN113831670A - 一种六方氮化硼填料的等离子体改性方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能复合材料的制备技术领域,具体涉及到一种六方氮化硼填料的等离子体改性方法及改性六方氮化硼用于增强导热复合材料。详细的制备方法包括以下步骤:将六方氮化硼放于特定的等离子体中,经过一段时间的处理,得到改性六方氮化硼,再将改性六方氮化硼与高分子溶液混合,最后将溶液干燥后成型即可得到最终的导热复合材料。本发明采用的六方氮化硼改性处理方法具有流程简单、成本低廉、导热性能好的特点,使用改性六方氮化硼制备的复合材料中填料与基底之间的间隙明显减小,导热系数显著提升。
Description
技术领域
本发明属于功能复合材料的制造领域,具体涉及到一种六方氮化硼填料的等离子体改性方法及其应用。
技术背景
随着5G发展,电子设备日趋微型化和集成化,这在提升功能和便携性的同时,也导致了高功率密度的问题。高功率密度大大增加了电子产品对导热界面材料的散热要求。高分子材料容易加工成型,但导热系数通常较低,一般仅约0.2Wm-1K-1,不能满足电子设备高速发展的需求。
六方氮化硼,又称“白石墨”,因其超高热导率(理论值2000Wm-1K-1)及出色的高温热稳定性、化学稳定性、高绝缘性,是非常理想的强化传热的填料。六方氮化硼拥有高热导率的同时,具有电绝缘性,在导热增强复合材料领域有独特的优势。
由于六方氮化硼的表面疏水性,六方氮化硼与高分子的界面间常常因脱粘现象而导致有空气缝隙存在,这些空隙对复合材料的导热能力造成了严重的阻碍。对六方氮化硼表面进行改性处理,改善六方氮化硼与高分子之间的接触,是解决该问题的一种常见的手段。专利 CN 107163290 B中,使用带羟基的有机固体与氮化硼均匀混合,再经干燥后的方法得到了羟基化改性的氮化硼。非专利文献ACS Nano 2014,8,6123通过“保留反应”,在合成氮化硼的同时直接引入大量的羟基,最终制得了羟基化改性的氮化硼。
现有的改性方法常常存在步骤繁琐、产量低、能耗大等局限性,因此需要开发一种高效、低成本、简易可行、可宏量作业的六方氮化硼的改性方法。
发明内容
本发明针对现有六方氮化硼的改性处理速度慢、步骤繁琐、能耗大的缺点,提供一种能够实现六方氮化硼快速且切实有效的改性手段,进而改善六方氮化硼填料与高分子之间的接触,从而提高六方氮化硼填料增强的复合材料的导热系数。
第一方面,本发明公开了一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在导热增强复合材料方面的应用,本发明的技术方案如下:
(1)将六方氮化硼放于等离子体中处理,得到改性六方氮化硼;
(2)将上述改性六方氮化硼与高分子溶液混合,形成均匀的分散液;
(3)将上述分散液导入模具中,通过干燥除去溶剂,得到复合材料预成型体。
(4)将预成型体经过固化成型,得到六方氮化硼/高分子的复合材料。
上述步骤(1)中,六方氮化硼可以是氮化硼纳米球、氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、氮化硼多孔泡沫体(优选地,氮化硼纳米片)。
上述步骤(1)中,等离子体处理的气氛压力可以是高压、低气压、真空。优选地,气氛压力选择低气压。
上述步骤(1)中,等离子体可以是超声等离子体、射频等离子体、微波等离子体,其频率包括但不仅限于40kHz、13.56MHz和2.45GHz。优选地,频率选择13.56MHz。
上述步骤(1)中,等离子体气氛选择包括但不仅限于氮气、氧气、空气、氩气、氦气、氖气、氪气、氙气、氨气、氢气、水蒸气。优选地,气氛选择氮气。
优选地,上述步骤(2)中,溶剂选择包括但不仅限于水、乙醇、丙酮、异丙醇、异丙酮。
优选地,上述步骤(3)中,干燥方式选择真空加热干燥。
优选地,上述步骤(4)中,固化成型方式选择热压成型。
第二方面,本申请实施方式要求保护通过上述任一方法改性的六方氮化硼填料在功能复合材料领域的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
1.本发明实施方式所展示的等离子体处理过的六方氮化硼,在处理过后亲水性较原六方氮化硼显著增强。
2.本发明实施方式所展示的等离子体处理过程,可以一次性实现大批量六方氮化硼的高效表面改性,且处理成本较低,具有很好的工业前景。
3.本发明实施方式所展示的改性六方氮化硼增强的复合材料,在宏观上,表现为表面更加平整;在微观上,表现为六方氮化硼填料与高分子之间的间隙明显减小。
4.本发明实施方式所展示的改性六方氮化硼增强的复合材料,较未处理的氮化硼增强的复合材料,其导热系数提高50%以上。
附图说明
图1为本发明方式示例的等离子体处理前后,将六方氮化硼置于水面的不同情况。等离子体处理前的六方氮化硼团聚在水面上,而等离子体处理后的改性六方氮化硼迅速铺展在水面上。
图2为本发明方式示例的氮气等离子体处理后的改性六方氮化硼的XRD图。
图3为本发明方式示例的氮气等离子体处理后的改性六方氮化硼作为填料、聚乙烯醇作为基体,所制备的复合材料的SEM图。
图4为本发明方式示例的氧气等离子体处理后的改性六方氮化硼的XRD图。
图5为本发明方式示例的氧气等离子体处理后的改性六方氮化硼作为填料、聚乙烯醇作为基体,所制备的复合材料的SEM图。
具体实施方式
结合具体实施例,对本发明进行详细说明,以下所述为本发明的解释而非限定。
实施方式一:
本实施方式实施了将氮气等离子体处理后的改性六方氮化硼用于高分子复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将0.5g六方氮化硼置入玻璃培养皿中后,放入等离子体发生器。
(2)通入氮气,流量为60sccm。频率设置为13.56MHz,时间设置为10min。
(3)结束后,制得氮气等离子体处理的改性六方氮化硼。
(4)将0.5g PVA溶解于5g去离子水中,加热至85℃,均匀搅拌12h得到澄清溶液A。
(5)在溶液A中加入0.5g改性氮化硼,保持85℃,均匀搅拌6h后得到分散液B。
(6)将分散液B倒入聚四氟乙烯干燥皿中,放于真空烘箱中,在80℃,烘干6h后取出得到复合材料预成型体。
(7)将复合材料预成型体在10MPa,140℃的条件下热压成型,20min后即可得到最终的复合材料板材。
本实施方式中,原料六方氮化硼具有憎水性,而经氮气等离子体处理后的六方氮化硼具有良好的亲水性,如图1所示。六方氮化硼的晶体结构未发生明显变化,仍然为六方氮化硼,其XRD衍射信息如图2所示。改性六方氮化硼增强的复合材料板材具有光滑的表面,其 SEM如图4所示,其面内热导系数达到4.8W m-1K-1,面间热导系数达到2.4W m-1K-1。
实施方式二:
本实施方式实施了将氧气等离子体处理后的改性六方氮化硼原料用于高分子复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将0.5g六方氮化硼置入玻璃培养皿中后,放入等离子体发生器。
(2)通入氧气,流量为80sccm。频率设置为13.56MHz,时间设置为10min。
(3)结束后,制得氧气等离子体处理的改性六方氮化硼。
(4)将0.5g PVA溶解于5g去离子水中,加热至85℃,均匀搅拌12h得到澄清溶液A。
(5)在溶液A中加入0.5g改性六方氮化硼,保持85℃,均匀搅拌6h后得到分散液B。
(6)将分散B倒入聚四氟乙烯干燥皿中,放于真空烘箱中,在80℃,烘干6h后取出得到复合材料预成型体。
(7)将复合材料预成型体在10MPa,140℃的条件下热压成型,20min后即可得到最终的复合材料板材。
本实施方式中,原料六方氮化硼具有憎水性,而经氧气等离子体处理后的六方氮化硼具有良好的亲水性。六方氮化硼的晶体结构未发生明显变化,仍然为六方氮化硼,其XRD衍射信息如图4所示。改性六方氮化硼增强的复合材料板材具有光滑的表面,其SEM如图5 所示,其面内热导系数达到4.2W m-1K-1,面间热导系数达到2.4W m-1K-1。
以上两实施例仅仅是两优选实施例,其余实施例与其步骤类似。为突出本发明实施方式制备的复合材料的优越性,本实施方式对比了未经处理的六方氮化硼直接用作填料,使用相同的原料配比与流程,制备了六方氮化硼/聚乙烯醇复合材料,其六方氮化硼填料与高分子之间存在空气间隙,降低了导热性能;其面内导热系数为2.7W m-1K-1,面间导热系数为1.5 W m-1K-1。
Claims (10)
1.本发明涉及一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)将六方氮化硼放于等离子体中处理,得到改性六方氮化硼;
(2)将上述改性六方氮化硼用作填料,经溶液混合法与高分子混合,形成均匀的分散液;
(3)将上述分散液导入模具中,通过干燥除去溶剂,得到复合材料预成型体。
(4)将预成型体经过固化成型,得到氮化硼/高分子复合材料。
2.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(1)中六方氮化硼包括但不仅限于氮化硼纳米球、氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、多孔氮化硼泡沫体的一种或多者的任意组合。
3.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(1)中进行等离子体处理装置是等离子体发生器,其气氛压力可以是高气压、低气压、真空。
4.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(1)中的等离子体可以是超声等离子体、射频等离子体、微波等离子体中的一种或多者的任意组合,其频率包括但不仅限于40kHz、13.56MHz和2.45GHz。
5.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(1)中等离子体的气氛包括但不仅限于氮气、氧气、空气、氩气、氦气、氖气、氪气、氙气、氨气、氢气、水蒸气。
6.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(2)中溶剂包括但不仅限于水、乙醇、丙酮、异丙醇、异丙酮。
7.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(2)中的高分子包括但不仅限于聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、环氧树脂。
8.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(2)中的氮化硼填料的投料量占复合材料总重的0.5wt%-60wt%。
9.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(3)中的干燥方法可以是抽滤、加热干燥、真空加热干燥、冷冻干燥。
10.根据权利1要求所述的一种六方氮化硼的等离子体改性方法及其在复合材料中的应用,其特征在于,所述步骤(4)中固化成型的工艺方法包括但不仅限于手糊成型、热压成型、喷射成型、挤出成型、连续板材成型、浇铸成型、热膨胀模塑法成型。
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CN202111117845.5A Pending CN113831670A (zh) | 2021-09-23 | 2021-09-23 | 一种六方氮化硼填料的等离子体改性方法及其应用 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115926674A (zh) * | 2023-03-14 | 2023-04-07 | 常熟理工学院 | 氮化硼接枝金纳米粒子复合填料及导热胶黏剂的制备方法 |
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CN109280332A (zh) * | 2018-08-03 | 2019-01-29 | 吉林大学 | 一种氮化硼/环氧树脂导热绝缘复合材料的制备方法 |
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2021
- 2021-09-23 CN CN202111117845.5A patent/CN113831670A/zh active Pending
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