CN114196211A - 一种低比重高导热垫片的制备方法 - Google Patents

一种低比重高导热垫片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于采用经改性的球形石墨作为主要的导热填料，在提升热导率的同时，有效降低了导热垫片的比重。对球形石墨的改性处理过程如下：(1)悬浮液的配置；(2)沉淀包覆；(3)粉体的热处理；(4)表面处理。通过对球形石墨进行氧化铝的沉淀包覆，再利用硅烷偶联剂对粉体进行表面处理，改善了球形石墨与高分子基体的相容性，增大了球形石墨的极限填充量，从而提高了所制备垫片的热导率；并且由于球形石墨表面覆盖了绝缘的无机物界面，也在一定程度上改善了垫片的绝缘性能，可进一步拓宽其使用范围。

Description

一种低比重高导热垫片的制备方法
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种低比重高导热垫片的制备方法。
背景技术
近年来，随着电子元器件朝微型化、集成化、高功率化方向快速发展，单位体积内产生的热量越来越多，导致电子元器件运行时的环境温度不断升高，严重影响其使用寿命及长期使用的稳定性。针对这一行业痛点，导热高分子材料应运而生。其通过将聚集在内部的热量快速传至器件表面以达到降低内部温度的效果，从而保障电子元器件运行的稳定性。
导热高分子材料通常是以高分子树脂为基体，添加金属氧化物如氧化铝、氧化锌等作为导热填料制备而成。由于常规的导热填料本身的热导率较低、密度大，导致其所制备导热材料比重较大，在越来越强调装备轻量化的当下，发展受限。在此背景下，具有热导率高、比重低的石墨类材料用于制备导热材料具有显著优势，专利号CN 112457646A采用不同尺寸以及片状和球形石墨复配使用，有效提升了体系导热性能，这是因为不同尺寸和形状石墨互相填补空隙，形成了尺寸和形状上的互补，构建了高效的导热网络；专利号CN113480875A对表面吸附硝酸铝的石墨烯进行加热，得到氧化铝改性石墨烯，再将其制备成散热涂料，达到了降低了界面热阻，提高涂层的热导率的效果。
本发明提供了一种低比重高导热有机硅垫片的制备方法，选用球形石墨作为导热粉体，主要是因为特殊的球形结构使其比表面积更加小，相较于其他石墨或者碳材料具有更好的填充性。其次，通过对球形石墨的改性，增强了球形石墨与有机硅高分子的相容性，提升了垫片的物理性能；另一方面球形石墨包覆的绝缘的无机物界面，也增强了所制垫片的绝缘性能，从而进一步拓宽了其应用场景。
发明内容
本发明提供了一种低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于采用经表面改性的球形石墨作为主要的导热填料，在提升热导率的同时，有效降低了导热垫片的比重。通过对球形石墨进行氧化铝的表面包覆，改善了球形石墨与高分子基体中相容性，增大了球形石墨的极限填充量，从而提高了所制备垫片的热导率。并且由于球形石墨表面覆盖了绝缘的无机物界面，也在一定程度上改善了垫片的绝缘性能，这对于拓宽球形石墨制备的导热垫片的使用范围具有十分重要的意义。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低比重高导热垫片的制备方法，按质量份由以下组分组成：
Figure BDA0003437899300000021
所述改性的球形石墨的制备方法包括以下步骤：
(1)悬浮液的配置：将球形石墨加入蒸馏水中配置成50～150g/L的悬浮液，温度控制在45～90℃，调节pH至5.0～8.0；
(2)沉淀包覆：在保持搅拌的状态下，缓慢滴加铝离子浓度为0.2mol/L的铝盐溶液，同时滴加氨水以保持悬浮液的pH值稳定，滴加0.5～1.5h后，保温1～5h使反应完全；
(3)粉体的热处理：将上述得到的悬浮液进行抽滤，清洗干净后于105～125℃下进行干燥，随后于350～500℃下进行3～8h的热处理，从而得到经氧化铝包覆的球形石墨。
(4)表面处理：将氧化铝包覆的球形石墨投入干法改性混合机中，加入硅烷偶联剂，于700～1200r/min下进行干法改性，时间为10～30min，即得到改性的球形石墨。
优选的，所述的球形石墨的中位径为5～27μm。
优选的，所述的悬浮液浓度为50～150g/L。
优选的，所述的铝盐溶液为氯化铝、硝酸铝、硫酸铝中的一种或几种。
优选的，所述的铝盐溶液添加量与球形石墨悬浮液体积比为5:1～10:1。
优选的，所述的硅烷偶联剂为正辛基三甲氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷以及十六烷基三甲氧基硅烷中的一种。
优选的，所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂与粉体的比例为1:200～1:100。
一种上述任一项的低比重高导热垫片的制备方法，包括以下步骤：
称取100份乙烯基硅油、200～400份改性的球形石墨、色膏以及2～4份含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，分散均匀后冷却至室温，加入0.02～0.2份抑制剂和0.3～3份铂金催化剂再次进行分散，分散均匀后，出料后经压延、加热固化制成导热垫片。
具体实施方式
实施例1
球形石墨的表面改性:将500g中位径为5μm的球形石墨加入10L蒸馏水中配置成50g/L的悬浮液，温度控制在90℃，调节pH至8.0；在保持搅拌的状态下，滴加2L铝离子浓度为0.2mol/L的硫酸铝溶液，同时滴加氨水以保持pH值稳定，滴加完后保温5h使反应完全；将悬浮液进行抽滤，清洗干净后于125℃下进行干燥，随后于500℃下进行3h热处理，从而得到得到经氧化铝包覆的球形石墨。将450g得到的球形石墨投入干法改性混合机中，加入4.5g正辛基三甲氧基硅烷偶联剂，于1200r/min下进行干法改性，时间为30min，即得到改性的球形石墨。
垫片制备：先将100g乙烯基硅油、200g上述表面改性的球形石墨以及3g含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，1h后冷却至室温，再加入0.02g抑制剂和0.3g铂金催化剂再次进行分散，分散均匀后，出料后经压延、加热固化制成导热垫片。
实施例2
球形石墨的表面改性:将1500g中位径为27μm的球形石墨加入10L蒸馏水中配置成150g/L的悬浮液，温度控制在45℃，调节pH至5.0；在保持搅拌的状态下，滴加1L铝离子浓度为0.2mol/L的硝酸铝溶液，同时滴加氨水以保持pH值稳定，滴加完后保温1h使反应完全；将悬浮液进行抽滤，清洗干净后于105℃下进行干燥，随后于350℃下进行8h热处理，从而得到得到经氧化铝包覆的球形石墨。将1450g得到的球形石墨投入干法改性混合机中，加入7.25g十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂，于700r/min下进行干法改性，时间为10min，即得到改性的球形石墨。
垫片制备：先将100g乙烯基硅油、300g上述表面改性的球形石墨以及4g含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，1h后冷却至室温，再加入0.2g抑制剂和3g铂金催化剂再次进行分散，分散均匀后，出料后经压延、加热固化制成导热垫片。
实施例3
垫片制备：先将100g乙烯基硅油、150g实施例1中的表面改性球形石墨以及250g实施例2中的表面改性球形石墨，2g含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，1h后冷却至室温，再加入0.1g抑制剂、和1.5g铂金催化剂再次进行分散，分散均匀后，出料后经压延、加热固化制成导热垫片。
对比例1
先将100g乙烯基硅油、200g中位径为5μm的球形石墨以及3g含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，1h后冷却至室温，再加入0.02g抑制剂和0.3g铂金催化剂再次进行分散，分散均匀后，出料后经压延、加热固化制成导热垫片。
对比例2
先将100g乙烯基硅油、300g中位径为27μm球形石墨以及4g含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，1h后冷却至室温，再加入0.2g抑制剂和3g铂金催化剂再次进行分散，分散均匀后，出料后经压延、加热固化制成导热垫片。
对比例3
先将100g乙烯基硅油、150g中位径为5μm的球形石墨、250g中位径为27μm的球形石墨以及2g含氢硅油投入分散机中，开启加热和抽真空，开启加热和抽真空，1h后冷却至室温，发现粉体难以充分填充进硅油中，导致未能制备成片。
对本发明实施例和对比例制备得到导热垫片进行性能测定，结果如表1所示。
表1：各例制备导热垫片的物理性能
Figure BDA0003437899300000041
Figure BDA0003437899300000051
由表1可知：①采用表面表面改性的球形石墨制备的导热垫片具有比重低、热导率高的性能优势，如实施例3，其密度仅为1.80g/cm-3,导热高达3.54W·(m·K)-1；②由于表面包覆了绝缘的氧化铝无机层，在一定程度上改善了球形石墨的绝缘性能差的问题，如实施例1制备的导热垫片击穿强度为2.3KV/mm，相较于对比例1的1.2KV/mm，提高了91.7％；③通过对表面的包覆的氧化铝层进行改性，球形石墨与硅油基体的相容性得到明显改善，从而提升了所制备的导热垫片的柔软度及压缩回弹率，实施例2的shore 00硬度为47，压缩回弹率为92％，具备良好的压缩回弹效果，而对比例2中的球形石墨未经改性，其与高分子基体的相容性差，所制备的垫片存在较多空隙，导致热导率仅为2.23W·(m·K)-1，并且密度也相对更低；在对比例3中，由于填充量进一步增大，导致粉体难以填充，未能制备成片。
以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，再不脱离本发明原理的前提下，凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于按质量份由以下组分组成：
Figure FDA0003437899290000011
其中，所述改性的球形石墨的制备方法包括以下步骤：
(1)悬浮液的配置：将球形石墨加入蒸馏水中配置成悬浮液，温度控制在45～90℃，调节pH至5.0～8.0；
(2)沉淀包覆：在保持搅拌的状态下，缓慢滴加铝离子浓度为0.2mol/L的铝盐溶液，同时滴加氨水以保持悬浮液的pH值稳定，滴加完成后后保温1～5h使反应完全；
(3)粉体的热处理：将上述得到的悬浮液进行抽滤，清洗干净后于105～125℃下进行干燥，随后于350～500℃下进行3～8h的热处理，从而得到得到经氧化铝包覆的球形石墨。
(4)表面处理：将氧化铝包覆的球形石墨投入干法改性混合机中，加入硅烷偶联剂，于700～1200r/min下进行干法改性，时间为10～30min，即得到改性的球形石墨。
2.根据权利要求1所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的球形石墨的中位径为5～27μm。
3.根据权利要求1所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的悬浮液浓度为50～150g/L。
4.根据权利要求2所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的铝盐溶液为硝酸铝、硫酸铝、氯化铝溶液中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的铝盐溶液添加量与球形石墨悬浮液的体积比为5:1～10:1。
6.根据权利要求2所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂为正辛基三甲氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷以及十六烷基三甲氧基硅烷中的一种。
7.根据权利要求2所述的低比重高导热垫片的制备方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂与粉体的比例为1:200～1:100。
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