CN116656286A - 一种高导热新型液态金属导电胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子新材料技术领域，具体涉及一种高导热新型液态金属导电胶及其制备方法，所述方法包括如下步骤：将金属粉末添加至Ga基液态金属合金并混合均匀获得液态金属导热膏；将CO2气体通入所述液态金属导热膏中进行反应得到导电填料；将所述导电填料与基体树脂利用混料设备进行重复混合包覆得到导电胶。本发明解决了导电胶集成度低，导电性差，分辨率低，稳定性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高分子新材料技术领域，具体涉及一种高导热新型液态金属导电胶及其制备方法。
背景技术
目前，国内外替代Sn～Pb焊料的材料有两类，无铅钎料和导电胶。无铅钎料中最有应用前景的Sn～Ag、Sn～Ag～Cu系钎料的钎焊温度比Sn～Pb钎料高出40℃左右，大部分焊接元器件都无法承受这样的温度，无铅钎料的使用大大降低了电子元器件的可靠性。另外，SnBi、Sn～In等钎料则由于成分稀有、价格过高等因素限制了应用。
导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶黏剂，它通常以基体树脂和导电填料即导电粒子为主要组成成分，通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起形成导电通路，实现被粘材料的导电连接。传统使用最广泛的导电胶主要用银粉和铜粉作为导电填料。银粉具有良好的导电性，由于其氧化物也具有一定的导电性，因此银粉或者镀银材料作为导电填料应用广泛，在一些要求导电胶具有良好导电性能的领域一般使用银粉导电胶，但银粉导电胶在潮湿环境中容易发生电迁移现象，降低了导电胶的可靠性。且银粉导电胶的成本较高，沉降稳定性较差；铜粉具有较好的导电性，成本大大低于银粉，但铜系导电胶容易氧化，氧化后导电性大大降低，甚至不能形成导电通路，铜系导电胶经过几十年的发展，已取得了长足的进步，但不稳定性仍然是长期存在的问题。如有限的耐冲击，长期的机械性和导电稳定等方面，使在电子工业中导电胶代替焊接依然没有被广泛的接受。
近几年，有学者提出一种以有机物作为基体，以液态金属作为导电介质的连接方式的导电率较常规的导电胶体系有极大的提升。并且整体延展率取决于有机物基体，通过更换基体材料可以实现不同的体系延展率，延展率可至300％而导线不断裂。但是由于液态金属的表面张力大，分散困难，易与界面材料反应，且Ga易发生氧化等特点，使得这一方法暴露出集成度低，分辨率低，稳定性差等缺点。
发明内容
为解决上述导电胶集成度低，导电性差，分辨率低，稳定性的问题，本发明提供了一种高导热新型液态金属导电胶的制备方法，包括如下步骤：
将金属粉末添加至Ga基液态金属合金并混合均匀获得液态金属导热膏；
将CO2气体通入所述液态金属导热膏中进行反应得到导电填料；
将所述导电填料与基体树脂利用混料设备进行重复混合包覆得到导电胶较佳的，所述Ga基液态金属合金包含：50～95重量％的Ga、0～50重量％的In和0～30重量％的Sn。
较佳的，所述金属粉末为铜粉、钨粉、镍粉、银粉或镁粉的一种或多种。
较佳的，所述金属粉末的与Ga基液态金属合金的质量比为0～20％：100％。
较佳的，所述导电填料和基体树脂的质量比为：50％～90％：10％～50％。
较佳的，所述CO2气体的纯度为5％～98％。
较佳的，所述基体树脂包括树脂、固化剂、促进剂、偶联剂、稀释剂、消泡剂、抗氧化剂。
较佳的，所述基体树脂的组分比为：树脂100份，固化剂10～20份，促进剂0～1.5份，偶联剂0～3份，稀释剂0～18份，消泡剂0～1份，抗氧化剂0～0.8份。
较佳的，所述树脂为聚丁二烯树脂、聚乙烯醇树脂、聚乙烯吡咯烷酮、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、聚丁二烯树脂、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚丙烯酸树脂、聚酯树脂、醇酸树脂、聚氨酯、硅树脂、硅丙树脂、氯醋树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、醛酮树脂、纤维素树脂、氟碳树脂、乙烯基树脂、阿拉伯胶中的一种或多种；所述固化剂为聚硫醇型、异氰酸酯型、三乙醇胺、2-乙基-4-甲基咪唑、甲基六氢苯酐、甲基T-31改性胺、YH-82改性胺、脂肪族多胺、脂环族多胺、聚酰胺、2-十一烷基咪唑、芳香族多胺、酸酐、酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺、酰肼中的一种或多种；所述促进剂为三乙胺、咪唑、DMP-30、EP-184、BDMA、CT-152X、DBU、EP-184、399、K-61B、CT-152X、2E4MZ中的一种或多种；所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β烯甲氧基乙氧基)硅烷、钛酸酯、铝酸酯、γ三巯丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种；所述稀释剂为亚烷基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、1,6-已二醇二缩水甘油醚中的一种或几种；所述消泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷、磷酸酯消泡剂中的一种或多种；所述的抗氧化剂为IRGANOX1010、IRGANOX245、IRGANOX1726、UV1130、3，5-二叔丁基-4-羟基丙酸酯、HHY-534胺型抗氧剂、亚磷酸三(2.4-二叔丁基苯基)酯、2.6-二叔丁基苯酚中的一种或多种。
本发明还提供了一种高导热新型液态金属导电胶，采用上述方法制备获得。
本发明利用低熔点、高导电性的低熔点金属合金与石墨烯进行原位复合得到液态金属导热膏，液态金属导热膏作为填料与有机物进行复合得到一种新型导电胶，具有以下优点：低熔点的特性能够保证在固化过程中与，减少金属颗粒之间间隙的形成；在保证好的导电性的前提下，极大的降低生产成本；填料在保证其良好的导电性的前提下，已进行了部分氧化，这样有效防止材料在使用过程中发生氧化导致材料导电导热性能降低，从而大大增加了材料的稳定性；由于导电填料中含有具有高导热系数的石墨烯材料，所以这种新型导电胶具有较高的导热系数；低熔点金属具有好的机械性能，固化后提高导电胶拉伸剪切强度，适应性增强。
附图说明
图1为高导热新型液态金属导电胶的制备流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种高导热新型液态金属导电胶的制备方法，如图1所示，具体步骤如下：
S100、将金属粉末添加至Ga基液态金属合金并混合均匀获得液态金属导热膏；将69.5份的Ga、20.5份的In、10份的Sn加热至80℃熔炼得到所述的液态金属合金；熔炼时间为1～2h，熔炼完成后冷却至室温备用；加入质量分数为5％铜粉颗粒至所述液态金属合金，混合搅拌均匀制备液态金属导热膏；
S200、将CO2气体通入所述液态金属导热膏中进行反应得到导电填料，CO2作用是可以把部分镓氧化，同时生成单质碳或石墨烯，镓基液态金属中的镓使CO2在室温下活化，从而分解为固体碳，同时可通过改变不同反应温度，从而得到不同高性能碳材料。将所述液态金属导热膏转移至反应器皿(此处反应器皿包括但不限于烧杯、锥形瓶、鼓泡塔反应器等)中，并通入CO2，设定CO2流速为75mL/min,反应温度为120℃，通气时间为2.5h；待反应完成后将液态金属导热膏转入至搅拌罐中进行搅拌混合，得到液态金属原位复合石墨烯的原位复合材料，即导电填料；
S300、将所述导电填料与基体树脂利用辊压设备进行重复混合包覆得到导电胶。按照配比100:20:3:10称取双酚A型环氧树脂、氨基树脂、钛酸酯、乙二醇，用磁力搅拌机搅拌30min，得到基体树脂；将导电填料与基体树脂按照质量比100:15的比例混合，通过锡膏搅拌机搅拌40min得到导电胶，也可以采用辊压设备、离心搅拌设备、行星球磨机、高速分散机、锡膏搅拌机等设备将导电填料与基体树脂混合报复获得导电胶。
对所述导电胶进行测试，体积电阻率为5.30×10-4Ω·cm，剪切强度为10.5MPa，导热系数为14W/m·K。
实施例2
本实施例提供一种高导热新型液态金属导电胶的制备方法，如图1所示，具体步骤如下：
S100、将金属粉末添加至Ga基液态金属合金并混合均匀获得液态金属导热膏；将69.5份的Ga、20.5份的In、10份的Sn加热至80℃熔炼得到所述的液态金属合金；熔炼时间为1～2h，熔炼完成后冷却至室温备用；加入质量分数为10％镍粉颗粒至所述液态金属合金，混合搅拌均匀制备液态金属导热膏。
S200、将CO2气体通入所述液态金属导热膏中进行反应得到导电填料；将所述液态金属导热膏转移至反应器皿(此处反应器皿包括但不限于烧杯、锥形瓶、鼓泡塔反应器等)中，并通入CO2，设定CO2流速为80mL/min,反应温度为180℃，通气时间为5h；待反应完成后将液态金属导热膏转入至搅拌罐中进行搅拌混合，得到液态金属原位复合石墨烯的原位复合材料，即导电填料；
S300、将所述导电填料与基体树脂利用辊压设备进行重复混合包覆得到导电胶。按照配比100:18:3:10：2称取双酚A型环氧树脂、氨基树脂、钛酸酯、乙醇、乳化硅油，用磁力搅拌机搅拌30min，得到基体树脂，用磁力搅拌机搅拌30min，得到基体树脂；将导电填料与基体树脂按照质量比100:7的比例混合，通过锡膏搅拌机搅拌40min得到导电胶。
对所述导电胶进行测试，体积电阻率为2.3×10-4Ω·cm，剪切强度为9.7MPa，导热系数为18W/m·K。
对比例1
本实施例提供一种高导热新型液态金属导电胶的制备方法，具体步骤如下：
S100、将金属粉末添加至Ga基液态金属合金并混合均匀获得液态金属导热膏；将69.5份的Ga、20.5份的In、10份的Sn加热至80℃熔炼得到所述的液态金属合金；熔炼时间为1～2h，熔炼完成后冷却至室温备用；
S200、将CO2气体通入所述液态金属导热膏中进行反应得到导电填料；将所述液态金属导热膏转移至反应器皿(此处反应器皿包括但不限于烧杯、锥形瓶、鼓泡塔反应器等)中，并通入CO2，设定CO2流速为100mL/min,调反应温度为200℃，通气时间为4h；待反应完成后将液态金属导热膏转入至搅拌罐中进行搅拌混合，得到液态金属原位复合石墨烯的原位复合材料，即导电填料；
S300、将所述导电填料与基体树脂利用辊压设备进行重复混合包覆得到导电胶。按照配比100:30称取双酚A型环氧树脂、氨基树脂，用磁力搅拌机搅拌30min，得到基体树脂，用磁力搅拌机搅拌30min，得到基体树脂；将导电填料与基体树脂按照质量比100:10的比例混合，通过锡膏搅拌机搅拌40min得到导电胶。
对所述导电胶进行测试，体积电阻率为0.91×10-4Ω·cm，剪切强度为12.3MPa，导热系数为23W/m·K。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将金属粉末添加至Ga基液态金属合金并混合均匀获得液态金属导热膏；
将CO2气体通入所述液态金属导热膏中进行反应得到导电填料；
将所述导电填料与基体树脂利用混料设备进行重复混合包覆得到导电胶。
2.如权利要求1所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述Ga基液态金属合金包含：50～95重量％的Ga、0～50重量％的In和0～30重量％的Sn。
3.如权利要求1所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述金属粉末为铜粉、钨粉、镍粉、银粉或镁粉的一种或多种。
4.如权利要求3所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的与Ga基液态金属合金的质量比为0～20％：100％。
5.如权利要求1所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述导电填料和基体树脂的质量比为：50％～90％：10％～50％。
6.如权利要求1所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述CO2气体的纯度为5％～98％。
7.如权利要求1所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述基体树脂包括树脂、固化剂、促进剂、偶联剂、稀释剂、消泡剂、抗氧化剂。
8.如权利要求7所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述基体树脂的组分比为：树脂100份，固化剂10～20份，促进剂0～1.5份，偶联剂0～3份，稀释剂0～18份，消泡剂0～1份，抗氧化剂0～0.8份。
9.如权利要求7所述的高导热新型液态金属导电胶的制备方法，其特征在于，所述树脂为聚丁二烯树脂、聚乙烯醇树脂、聚乙烯吡咯烷酮、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、聚丁二烯树脂、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚丙烯酸树脂、聚酯树脂、醇酸树脂、聚氨酯、硅树脂、硅丙树脂、氯醋树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、醛酮树脂、纤维素树脂、氟碳树脂、乙烯基树脂、阿拉伯胶中的一种或多种；所述固化剂为聚硫醇型、异氰酸酯型、三乙醇胺、2-乙基-4-甲基咪唑、甲基六氢苯酐、甲基T-31改性胺、YH-82改性胺、脂肪族多胺、脂环族多胺、聚酰胺、2-十一烷基咪唑、芳香族多胺、酸酐、酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺、酰肼中的一种或多种；所述促进剂为三乙胺、咪唑、DMP-30、EP-184、BDMA、CT-152X、DBU、EP-184、399、K-61B、CT-152X、2E4MZ中的一种或多种；所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β烯甲氧基乙氧基)硅烷、钛酸酯、铝酸酯、γ三巯丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种；所述稀释剂为亚烷基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、1,6-已二醇二缩水甘油醚中的一种或几种；所述消泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷、磷酸酯消泡剂中的一种或多种；所述的抗氧化剂为IRGANOX1010、IRGANOX245、IRGANOX1726、UV1130、3，5-二叔丁基-4-羟基丙酸酯、HHY-534胺型抗氧剂、亚磷酸三(2.4-二叔丁基苯基)酯、2.6-二叔丁基苯酚中的一种或多种。
10.一种高导热新型液态金属导电胶，其特征在于，采用权利要求1至权利要求9任一所述方法制备获得。
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