CN116535748A - 一种增强导热弹性热界面复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增强导热弹性热界面复合材料及其制备方法，其特点是首先采用羧基功能化合物包覆天然胶乳粒子，赋予其羧基功能反应位点，利用具有优异力学强度的海鞘纤维素纳米晶（TCNCs）与氨基酸的酯化反应，制备表面改性纤维素纳米晶增强填料，引入羧基或含氮原子配位点，将其与罗丹宁包覆的氮化硼（BN）超声处理获得杂化导热填料；利用羧基‑金属离子及氮原子‑金属离子交联配位作用，通过胶乳超声分散工艺将杂化导热填料、金属盐溶液与多羧基功能化合物包覆的天然胶乳充分混合，经过混炼、热压成型制备增强导热弹性热界面复合材料，复合体系构建的界面交联作用实现TCNCs、BN的均匀分散，发挥TCNCs的增强作用及BN的高导热特性，同时具有优异的高弹性，可作为热界面材料在电子器件散热领域具有较好应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强导热弹性热界面复合材料及其制备方法，属于导热橡胶制备领域。
背景技术
随电子信息技术的发展，电子器件越来越趋于小型化及微型化，功能密度和效率极大提高，在运行时产生的热量越来越多，这就要求其具有更优异的散热性能，高效散热成为制约电子器件长期稳定运行的关键。为加快电子器件的有效散热，使用高导热的热界面材料可有效解决这一问题。将热界面材料置于电子设备和散热器之间，减少二者界面热阻，从而实现高效传热。因此，这就要求热界面材料需具备高热导率、良好的机械强度及柔韧性或高弹性。
近年来，以高分子为基体的热界面材料受到广泛的关注。橡胶材料具有良好的柔顺性和高弹性，模量低，可作为热界面材料的弹性基体，但其本征热导率低，必须对其导热性能进行改进。以石墨烯、碳纳米管、氮化硼、氧化铝等为代表的纳米材料具有优异的本征热导率，可作为导热填料填充到橡胶基体，但采用传统的共混加工方式，导热填料分散性较差，制备的热界面复合材料导热性能提升有限，而高填充还会破坏橡胶的加工性能及力学性能。因此，制备增强导热弹性热界面材料仍具有重大意义，尤其对于电子器件的热传导领域。
中国专利CN202211251308.4公开了一种二维片层填料取向方向可调控的热界面材料及其制备方法，以橡胶为基体，采用高温模压和流延成型制备薄膜状材料，然后对其进行堆叠焊接、裁切，使二维片层导热填料取向，制备高导热热界面复合材料，但热界面复合材料的力学强度较差，低于1 MPa。中国专利CN202110180132.7公开了一种定向排列氮化硼@聚多巴胺@银杂化纳米片柔性热界面材料及其制备方法，采用可控冰模板工艺构筑径向排列的氮化硼纳米片和银纳米粒子的杂化网络，真空浇铸制备高导热的柔性热界面材料，径向热导率高达3.47 W/mK。中国专利CN202210413228.8公开了一种导热填料及其制备方法和在PDMS复合材料中的应用，通过静电相互作用将季铵盐改性碳纳米管负载在氧化石墨表面形成“线-面”状异质结构，真空浸渍PDMS制备热界面复合材料，降低了界面热阻。所报道热界面材料的力学性能未充分考虑，且冰模板法及真空浸渍操作复杂，限制了规模化制备及应用。李京超等人，绝缘材料，2021, 54(2):49，采用静电自组装制备了纳米氧化铝包覆的氧化石墨烯，通过高温热处理进行还原后将其与微米氧化铝复配填充至双组份液体硅橡胶中，复合材料的热导率为2.5 W/mK，同样未考虑复合材料的力学性能。An等人，通过化学表面改性和化学反应的制备具有共价键连接的BN/CNT复合导热填料，以真空辅助抽滤制备了具有三维“砖瓦式”层状结构的天然橡胶基热界面复合材料，极大降低界面热阻，最大垂直热导率达1.34 W/mK。然而，所报道文献对弹性热界面复合材料的力学性能改善较小，制备工艺复杂，同时导热性能也有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种增强导热弹性热界面材料及其制备方法，其特点是首先采用多羧基功能化合物包覆天然胶乳粒子，赋予其羧基功能反应位点，利用具有优异力学强度的海鞘纤维素纳米晶（TCNCs）与氨基酸的酯化反应，制备表面改性纤维素纳米晶增强填料，引入羧基或含氮原子配位点，将其与罗丹宁包覆的氮化硼（BN）超声处理获得杂化导热填料；利用羧基-金属离子及氮原子-金属离子交联配位作用，通过胶乳超声分散工艺将杂化导热填料、金属盐溶液与多羧基功能化合物包覆的天然胶乳充分混合，经过混炼、热压成型制备增强导热弹性热界面复合材料，复合体系构建的界面交联作用实现TCNCs、BN的均匀分散，发挥TCNCs的增强作用及BN的高导热特性，同时具有优异的高弹性，作为热界面材料在电子器件散热领域具有较好应用前景。
本发明的目的由以下技术方案实现，其中所述原料分数除特殊说明外，均为质量份数。
一种增强导热弹性热界面复合材料，其特征在于该复合材料主要原料由以下组分构成，按质量份数计：
天然胶乳 100份
海鞘纤维素纳米晶 1-6份
氮化硼 2-10份
羧基功能化合物 60-200份
氨基酸 3-25份
罗丹宁 0.4-2份
金属盐溶液 60-200份
其中，所述羧基功能化合物为组氨酸、酒石酸、衣康酸、甲基丙烯酸中的任一种；
所述氨基酸为色氨酸、组氨酸、丝氨酸、脯氨酸中的任一种；
所述金属盐溶液为质量浓度为10-20wt%的氯化锌水溶液、醋酸锌水溶液、氯化铁水溶液、氯化铜水溶液中的任一种。
一种增强导热弹性热界面复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）氨基酸改性海鞘纤维素纳米晶的制备
通过硫酸水解法从海洋海鞘被囊中提取纤维素纳米晶（TCNCs），将1-6份TCNCs加入100-300份去离子水中，超声分散1 h形成均匀稳定分散液，加入3-25份氨基酸超声分散0.5 h，缓慢滴加0.01-0.06份浓硫酸作为催化剂，于50-95℃下持续剧烈搅拌3-8 h，促进TCNCs羟基与氨基酸羧基发生酯化反应，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。
（2）海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料的制备
将2-10份氮化硼（BN）超声分散在50-300份、体积比1:1异丙醇/去离子水中，形成均匀稳定分散液，加入0.4-2份罗丹宁搅拌10 min使其完全溶解，加入0.8-4份过硫酸铵作为氧化剂，于55℃下剧烈搅拌2-8 h诱导罗丹宁在BN片层聚合，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。将上述（1）制备的氨基酸改性海鞘纤维素纳米晶与罗丹宁改性的氮化硼充分剧烈搅拌、混合，获得海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料。
（3）增强导热弹性热界面复合材料的制备
将100份天然胶乳用去离子水稀释至浓度25wt%，加入60-200份羧基功能化合物搅拌1 h，加入上述（2）制备的海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料，超声分散0.5-2 h，然后加入60-200份、质量浓度为10-20wt%的金属盐溶液，缓慢搅拌15 min，于50℃下真空干燥；将干燥后的混合胶料在开炼机上混炼后，于100-150℃、8-13 MPa下热压5-15 min，得到增强导热弹性热界面复合材料。
本发明具有如下优点：
利用具有优异力学强度的海鞘纤维素纳米晶分子上的羟基与氨基酸羧基发生酯化反应，对海鞘纤维素纳米晶表面改性引入羧基或含氮原子的配位反应位点，将其与罗丹宁包覆改性的氮化硼超声共混制备杂化导热填料，发挥海鞘纤维素纳米晶的增强作用及氮化硼的导热特性；利用羧基功能化合物包覆天然胶乳粒子，赋予其羧基功能反应位点，通过羧基-金属离子及氮原子-金属离子交联配位作用，将杂化导热填料、金属盐溶液与多羧基功能化合物包覆的天然胶乳充分混合、混炼及热压成型制备增强导热弹性热界面复合材料。复合体系海鞘纤维素纳米晶基氮化硼分散均匀，具有增强的界面作用及配位交联特性，力学性能、导热性能及弹性优异，在电子器件散热领域具有较好应用前景。
附图说明
图1为增强导热弹性热界面复合材料的脆断断面扫描电镜图
海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料在天然橡胶基体中分散良好，与橡胶基体具有强界面作用。
实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步描述，在此需要说明的是，实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明作出非本质的改进和调整。
实施例
通过硫酸水解法从海洋海鞘被囊中提取纤维素纳米晶（TCNCs），将2份TCNCs加入150份去离子水中，超声分散1 h形成均匀稳定分散液，加入5份组氨酸超声分散0.5 h，缓慢滴加0.02份浓硫酸作为催化剂，于80℃下持续剧烈搅拌6 h，促进TCNCs羟基与组氨酸羧基发生酯化反应，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。
将3份氮化硼（BN）超声分散在200份、体积比1:1异丙醇/去离子水中，形成均匀稳定分散液，加入0.6份罗丹宁搅拌10 min使其完全溶解，加入1.2份过硫酸铵作为氧化剂，于55℃下剧烈搅拌4 h诱导罗丹宁在BN片层聚合，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。将组氨酸改性海鞘纤维素纳米晶与罗丹宁改性的氮化硼充分剧烈搅拌、混合，获得海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料。
将100份天然胶乳用去离子水稀释至浓度25wt%，加入120份衣康酸搅拌1 h，加入海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料，超声分散1 h，然后加入120份、质量浓度为15wt%的醋酸锌溶液，缓慢搅拌15 min，于50℃下真空干燥；将干燥后的混合胶料在开炼机上混炼后，于110℃、10 MPa下热压6 min，得到增强导热弹性热界面复合材料。热界面复合材料的导热系数为1.736 W/mK，拉伸强度为3.11 MPa，扯断伸长率为482%。
实施例
通过硫酸水解法从海洋海鞘被囊中提取纤维素纳米晶（TCNCs），将3份TCNCs加入250份去离子水中，超声分散1 h形成均匀稳定分散液，加入8份色氨酸超声分散0.5 h，缓慢滴加0.03份浓硫酸作为催化剂，于75℃下持续剧烈搅拌5 h，促进TCNCs羟基与色氨酸羧基发生酯化反应，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。
将6份氮化硼（BN）超声分散在50-300份、体积比1:1异丙醇/去离子水中，形成均匀稳定分散液，加入1.2份罗丹宁搅拌10 min使其完全溶解，加入2.4份过硫酸铵作为氧化剂，于55℃下剧烈搅拌4 h诱导罗丹宁在BN片层聚合，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。将色氨酸改性海鞘纤维素纳米晶与罗丹宁改性的氮化硼充分剧烈搅拌、混合，获得海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料。
将100份天然胶乳用去离子水稀释至浓度25wt%，加入150份组氨酸搅拌1 h，加入海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料，超声分散0.5 h，然后加入130份、质量浓度为20wt%的氯化锌溶液，缓慢搅拌15 min，于50℃下真空干燥；将干燥后的混合胶料在开炼机上混炼后，于120℃、10 MPa下热压8 min，得到增强导热弹性热界面复合材料。热界面复合材料的导热系数为2.624 W/mK，拉伸强度为4.07 MPa，扯断伸长率为514%。
实施例
通过硫酸水解法从海洋海鞘被囊中提取纤维素纳米晶（TCNCs），将5份TCNCs加入300份去离子水中，超声分散1 h形成均匀稳定分散液，加入18份丝氨酸超声分散0.5 h，缓慢滴加0.05份浓硫酸作为催化剂，于80℃下持续剧烈搅拌6 h，促进TCNCs羟基与丝氨酸羧基发生酯化反应，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。
将8份氮化硼（BN）超声分散在300份、体积比1:1异丙醇/去离子水中，形成均匀稳定分散液，加入1.6份罗丹宁搅拌10 min使其完全溶解，加入3.2份过硫酸铵作为氧化剂，于55℃下剧烈搅拌8 h诱导罗丹宁在BN片层聚合，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。将丝氨酸改性海鞘纤维素纳米晶与罗丹宁改性的氮化硼充分剧烈搅拌、混合，获得海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料。
将100份天然胶乳用去离子水稀释至浓度25wt%，加入180份酒石酸搅拌1 h，加入海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料，超声分散2 h，然后加入160份、质量浓度为18wt%的氯化铁溶液，缓慢搅拌15 min，于50℃下真空干燥；将干燥后的混合胶料在开炼机上混炼后，于130℃、12 MPa下热压12 min，得到增强导热弹性热界面复合材料。热界面复合材料的导热系数为2.841 W/mK，拉伸强度为4.68 MPa，扯断伸长率为522%。
实施例
通过硫酸水解法从海洋海鞘被囊中提取纤维素纳米晶（TCNCs），将1份TCNCs加入100份去离子水中，超声分散1 h形成均匀稳定分散液，加入4份脯氨酸超声分散0.5 h，缓慢滴加0.04份浓硫酸作为催化剂，于60℃下持续剧烈搅拌4 h，促进TCNCs羟基与脯氨酸羧基发生酯化反应，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。
将2份氮化硼（BN）超声分散在100份、体积比1:1异丙醇/去离子水中，形成均匀稳定分散液，加入0.4份罗丹宁搅拌10 min使其完全溶解，加入0.8份过硫酸铵作为氧化剂，于55℃下剧烈搅拌2 h诱导罗丹宁在BN片层聚合，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。将脯氨酸改性海鞘纤维素纳米晶与罗丹宁改性的氮化硼充分剧烈搅拌、混合，获得海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料。
将100份天然胶乳用去离子水稀释至浓度25wt%，加入100份甲基丙烯酸搅拌1 h，加入海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料，超声分散0.5 h，然后加入80份、质量浓度为18wt%的氯化铜溶液，缓慢搅拌15 min，于50℃下真空干燥；将干燥后的混合胶料在开炼机上混炼后，于100℃、10 MPa下热压5 min，得到增强导热弹性热界面复合材料。热界面复合材料的导热系数为0.983 W/mK，拉伸强度为1.47 MPa，扯断伸长率为459%。
综上，本发明实施例在海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料填充下，通过增强复合体系分子间界面作用，制备出力学性能和导热性能优异的增强导热弹性热界面复合材料。
以上实施例对本发明的具体内容进行了详细描述，但本发明不局限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员可以做出同等替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种增强导热弹性热界面复合材料，其特征在于该复合材料主要原料由以下组分构成，按质量份数计：
天然胶乳 100份
海鞘纤维素纳米晶 1-6份
氮化硼 2-10份
羧基功能化合物 60-200份
氨基酸 3-25份
罗丹宁 0.4-2份
金属盐溶液 60-200份
其中，所述羧基功能化合物为组氨酸、酒石酸、衣康酸、甲基丙烯酸中的任一种；
所述氨基酸为色氨酸、组氨酸、丝氨酸、脯氨酸中的任一种；
所述金属盐溶液为质量浓度为10-20wt%的氯化锌水溶液、醋酸锌水溶液、氯化铁水溶液、氯化铜水溶液中的任一种。
2.一种权利要求1所述的增强导热弹性热界面复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）氨基酸改性海鞘纤维素纳米晶的制备
通过硫酸水解法从海洋海鞘被囊中提取纤维素纳米晶（TCNCs），将1-6份TCNCs加入100-300份去离子水中，超声分散1 h形成均匀稳定分散液，加入3-25份氨基酸超声分散0.5h，缓慢滴加0.01-0.06份浓硫酸作为催化剂，于50-95℃下持续剧烈搅拌3-8 h，促进TCNCs羟基与氨基酸羧基发生酯化反应，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用；
（2）海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料的制备
将2-10份氮化硼（BN）超声分散在50-300份、体积比1:1异丙醇/去离子水中，形成均匀稳定分散液，加入0.4-2份罗丹宁搅拌10 min使其完全溶解，加入0.8-4份过硫酸铵作为氧化剂，于55℃下剧烈搅拌2-8 h诱导罗丹宁在BN片层聚合，反应结束后抽滤、去离子水洗涤3次后，备用。将上述（1）制备的氨基酸改性海鞘纤维素纳米晶与罗丹宁改性的氮化硼充分剧烈搅拌、混合，获得海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料；
（3）增强导热弹性热界面复合材料的制备
将100份天然胶乳用去离子水稀释至浓度25wt%，加入60-200份羧基功能化合物搅拌1h，加入上述（2）制备的海鞘纤维素纳米晶/氮化硼杂化导热填料，超声分散0.5-2 h，然后加入60-200份、质量浓度为10-20wt%的金属盐溶液，缓慢搅拌15 min，于50℃下真空干燥；将干燥后的混合胶料在开炼机上混炼后，于100-150℃、8-13 MPa下热压5-15 min，得到增强导热弹性热界面复合材料。
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