CN117801543A - 一种高导热垫片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于导热界面材料领域,具体涉及一种高导热垫片及其制备方法,所述的高导热垫片包括导热膜、离型膜和混合树脂,所述导热膜为人工石墨膜、天然石墨膜、碳纳米管纸或石墨烯纸,所述离型膜为硅油离型膜或氟素离型膜,所述混合树脂按重量份计包括以下组分:乙烯基硅油50~200份、含氢硅油0.5~15份、催化剂0.5~5份、抑制剂0.1~2份、偶联剂1~10份、氧化铝0~1000份、氧化锌0~300份。本发明制备的高导热垫片具有低密度、高导热系数、韧性好、耐弯折、接触热阻低等特性,可以快速将发热元器件上的热量传导至散热元器件,同时制备工艺简单,可批量化生产,可用于消费电子、通信以及新能源汽车领域。
Description
技术领域
本发明属于导热界面材料领域,具体涉及一种高导热垫片及其制备方法。
背景技术
目前,高导热的导热垫片材料(导热系数15~50W/m·K)一般采用碳纤维或石墨等各向异性导热填料定向制备,其中:挤出定向的方式使定向排布较为杂乱,导热系数不高;而磁定向需要预先磁化导热,磁定向设备非常昂贵,性价比较低;排布定向则比较难控制碳纤维在树脂基体中均匀分布。并且,目前市面长纤碳纤维导热系数(150~350W/m·K)普遍不高,高性能的长纤碳纤维(导热系数≥600W/m·K)购买较为困难,需要进口,所制备的材料硬度亦比较高;而且这几种定向方式后期均需要进行切割加工以获得目标厚度,表面经过切割之后,切割表面较为粗糙,低应力下接触热阻较大。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足,提供一种高导热垫片及其制备方法,高导热垫片的导热系数为15~80W/m·K,密度为1.3~2.5g/cm3,具有低密度、高导热系数、韧性好、耐弯折、接触热阻低等特性。
具体技术方案如下:
本发明的第一个目的在于提供一种高导热垫片,包括导热膜、离型膜和混合树脂,所述导热膜为人工石墨膜、天然石墨膜、碳纳米管纸或石墨烯纸,所述离型膜为硅油离型膜或氟素离型膜,所述混合树脂按重量份计包括以下组分:乙烯基硅油50~200份、含氢硅油0.5~15份、催化剂0.5~5份、抑制剂0.1~2份、偶联剂1~10份、氧化铝0~1000份、氧化锌0~300份。
导热膜包括人工石墨膜、天然石墨膜、碳纳米管纸或石墨烯纸,因其各向异性特性,导热系数在平行于XY轴面内的平面导热系数可达50~2500W/m·K,但垂直于XY轴面的Z轴方向的纵向导热系数仅为5~15W/m·K,而在实际应用场景中,热量传递一般是纵向传递,所以仅作为面内均热使用,无法替代碳纤维挤出定向高导热垫片。然而,本发明通过将在平面方向具有超高导热系数的石墨膜、碳纳米管纸或石墨烯纸,采用全自动折纸机将导热膜折成连续的W型,使导热膜由平面弯折成纵向,从而热量能够从平面传输转变为纵向传输,由于导热膜超高的平面热传导能力,即使在经过W弯折之后,整体材料在纵向也具有很高的导热系数。
进一步,所述人工石墨膜的导热系数为1200~2500W/m·K,所述天然石墨膜的导热系数为400~1200W/m·K,所述碳纳米管纸的导热系数为50~200W/m·K,所述石墨烯纸的导热系数为200~1200W/m·K。
进一步,所述导热膜优选导热系数为1500~2500W/m·K的人工石墨膜。
进一步,所述导热膜的厚度为0.010~0.2mm。
进一步,所述离型膜的离型力为0.1~10g。
进一步,所述乙烯基硅油的乙烯基含量为0.5~1.80%,粘度50~1000mPa·s;所述含氢硅油的氢含量为0.1~3%,粘度为50~500mPa·s。
进一步,所述催化剂为铂金催化剂,所述抑制剂为炔醇类抑制剂,具体为3,5-二甲基-1-己炔-3-醇,所述偶联剂为钛酸酯或硅烷偶联剂,所述氧化铝的粒径为5~40μm,所述氧化锌的粒径为0.2~5μm。
本发明的第二个目的在于提供上述高导热垫片的制备方法,包括如下步骤:
步骤1、将导热膜采用全自动折纸机弯折成连续的W型,得到W型导热膜,弯折高度h根据垫片的目标厚度决定;
步骤2、将步骤1得到的W型导热膜置于灌胶槽,根据需求设置W型导热膜的间隙d,W型导热膜的上下各覆离型膜,离型膜的离型面与W型导热膜接触;
步骤3、将混合树脂的各组分在15~50rpm下搅拌抽真空0.5~2h,得到混合树脂;
步骤4、将步骤3得到的混合树脂注入灌胶槽至与W型导热膜的弯折高度h齐平后,置于真空烘箱抽真空0.5~3h,然后灌胶槽的上压平板压至目标厚度,加热至120~150℃,固化成型15~45min,取出固化成型产品,即得到在纵向具有高导热系数的导热垫片。
进一步,所述弯折高度h为0.1~100mm。
进一步,所述W型导热膜的间隙d为0.1~200mm。
进一步,所述W型导热膜的宽度w为20~200cm。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)本发明通过将在平面方向具有超高导热系数的石墨膜、碳纳米管纸或石墨烯纸,采用全自动折纸机将导热膜折成连续的W型,使导热膜由平面弯折成纵向,从而热量能够从平面传输转变为纵向传输,由于导热膜超高的平面热传导能力,即使在经过W弯折之后,整体材料在纵向也具有很高的导热系数;
(2)本发明中,在W型导热膜的上下各放置离型膜,将混合树脂注入到W型导热膜弯折的缝隙之间,直至混合树脂液面与W膜弯折高度h齐平,以起到定型与降低接触热阻的作用,最后在W型导热膜上的离型膜上施加压力至垫片达到目标厚度后固化成型;
(3)本发明通过调节弯折间隙d,可以控制单位面积内W型导热膜的纵向填充密度,从而调整导热系数;通过调节弯折高度h,可以调节导热垫片的厚度;通过调节弯折间隙d,可以控制单位面积内W型导热膜的纵向填充密度,从而调整导热系数;
(4)本发明中,由于W型导热膜的宽度w(20~200cm)选择性较大,制备的垫片面积较传统挤出定向高导热垫片(直径20cm左右)要大很多,可以扩大定向导热垫片的应用范围,并减少原材料浪费;
(5)本发明制备的高导热垫片的导热系数为15~80W/m·K,密度为1.3~2.5g/cm3,具有低密度、高导热系数、韧性好、耐弯折、接触热阻低等特性,可以快速将发热元器件上的热量传导至散热元器件,同时制备工艺简单,可批量化生产,较传统高导热挤出定向垫片相比,不需要额外进行厚度切割,可用于消费电子、通信以及新能源汽车领域。
附图说明
图1为本发明中W型导热膜的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的实施方式进行说明。需要理解的是以下实施例的仅是起到解释说明的目的,而不应该视为对本发明的范围进行限制。本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围,具体实施方式中所述的份为重量份。
实施例1
参照图1,一种高导热垫片的制备方法,包括如下步骤:
步骤1、将导热膜采用全自动折纸机弯折成连续的W型,所述导热膜为导热系数为2500W/m·K的人工石墨膜,导热膜的厚度为0.010mm,宽度w为200cm,弯折高度h为0.5mm,得到W型导热膜;
步骤2、将步骤1得到的W型导热膜置于灌胶槽,W型导热膜的间隙d为0.5mm,W型导热膜的上下各覆硅油离型膜,离型力为0.1g,离型膜的离型面与W型导热膜接触;
步骤3、将混合树脂的各组分按重量份,乙烯基含量为1.80%,粘度为50mPa·s的乙烯基硅油100份,氢含量为0.1%,粘度为500mPa·s的含氢硅油15份,铂金催化剂2份,3,5-二甲基-1-己炔-3-醇抑制剂0.1份,异丙氧基三油酸酰氧基钛酸酯偶联剂1份,粒径为40μm的氧化铝500份,粒径为0.2μm的氧化锌300份,在15rpm下搅拌抽真空0.5h,得到混合树脂;
步骤4、将步骤3得到的混合树脂注入灌胶槽至与W型导热膜的弯折高度h齐平后,置于真空烘箱抽真空1h,然后灌胶槽的上压平板压至0.45mm,加热至120℃,固化成型15min,取出固化成型产品,即得到在纵向具有高导热系数的导热垫片。
实施例2
参照图1,一种高导热垫片的制备方法,包括如下步骤:
步骤1、将导热膜采用全自动折纸机弯折成连续的W型,所述导热膜为导热系数为1200W/m·K的天然石墨膜,导热膜的厚度为0.2mm,宽度为20cm,弯折高度h为100mm,得到W型导热膜;
步骤2、将步骤1得到的W型导热膜置于灌胶槽,W型导热膜的间隙d为1mm,W型导热膜的上下各覆氟素离型膜,离型力为10g,离型膜的离型面与W型导热膜接触;
步骤3、将混合树脂的各组分按重量份,乙烯基含量为0.5%,粘度为1000mPa·s的乙烯基硅油100份,氢含量为3%,粘度为50mPa·s的含氢硅油0.5份,铂金催化剂5份,3,5-二甲基-1-己炔-3-醇抑制剂2份,十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂10份,粒径为5μm的氧化铝1000份,粒径为5μm的氧化锌50份,在50rpm下搅拌抽真空2h,得到混合树脂;
步骤4、将步骤3得到的混合树脂注入灌胶槽至与W型导热膜的弯折高度h齐平后,置于真空烘箱抽真空3h,然后灌胶槽的上压平板压至90mm,加热至150℃,固化成型45min,取出固化成型产品,即得到在纵向具有高导热系数的导热垫片。
实施例3
参照图1,一种高导热垫片的制备方法,包括如下步骤:
步骤1、将导热膜采用全自动折纸机弯折成连续的W型,所述导热膜为导热系数为100W/m·K的碳纳米管纸,导热膜的厚度为0.03mm,宽度w为100cm,弯折高度h为50mm,得到W型导热膜;
步骤2、将步骤1得到的W型导热膜置于灌胶槽,W型导热膜的间隙d为0.3mm,W型导热膜的上下各覆硅油离型膜,离型力为0.1g,离型膜的离型面与W型导热膜接触;
步骤3、将混合树脂的各组分按重量份,乙烯基含量为1%,粘度为300mPa·s的乙烯基硅油200份,氢含量为2%,粘度为100mPa·s的含氢硅油6份,铂金催化剂3份,3,5-二甲基-1-己炔-3-醇抑制剂0.3份,异丙氧基三油酸酰氧基钛酸酯偶联剂2份,粒径为20μm的氧化铝500份,粒径为0.2μm的氧化锌50份,在25rpm下搅拌抽真空1h,得到混合树脂;
步骤4、将步骤3得到的混合树脂注入灌胶槽至与W型导热膜的弯折高度h齐平后,置于真空烘箱抽真空1h,然后灌胶槽的上压平板压至49mm,加热至130℃,固化成型30min,取出固化成型产品,即得到在纵向具有高导热系数的导热垫片。
实施例4
参照图1,一种高导热垫片的制备方法,包括如下步骤:
步骤1、将导热膜采用全自动折纸机弯折成连续的W型,所述导热膜为导热系数为600W/m·K的石墨烯纸,导热膜的厚度为0.03mm,宽度为100cm,弯折高度h为20mm,得到W型导热膜;
步骤2、将步骤1得到的W型导热膜置于灌胶槽,W型导热膜的间隙d为10mm,W型导热膜的上下各覆氟素离型膜,离型力为0.1g,离型膜的离型面与W型导热膜接触;
步骤3、将混合树脂的各组分按重量份,乙烯基含量为1%,粘度为300mPa·s的乙烯基硅油50份,氢含量为2%,粘度为100mPa·s的含氢硅油6份,铂金催化剂3份,3,5-二甲基-1-己炔-3-醇抑制剂0.3份,十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂2份,粒径为20μm的氧化铝500份,粒径为0.2μm的氧化锌50份,在25rpm下搅拌抽真空1h,得到混合树脂;
步骤4、将步骤3得到的混合树脂注入灌胶槽至与W型导热膜的弯折高度h齐平后,置于真空烘箱抽真空1h,然后灌胶槽的上压平板压至49mm,加热至130℃,固化成型30min,取出固化成型产品,即得到在纵向具有高导热系数的导热垫片。
对比例
一种挤出定向导热垫片的制备方法,包括如下步骤:
步骤1、将50份粒径为300微米、导热系数为600W/m·K的石墨粉与150份粘度为500mPa·s的乙烯基硅油,1份3,5-二甲基-1-己炔-3-醇抑制剂,60份含氢硅油,1份铂金催化剂,3份十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂,500份粒径为20微米的氧化铝以及500份粒径为2微米的氧化锌在25℃进行混合搅拌,搅拌速度25rpm,边搅拌边抽真空1h,得到石墨粉的复合有机硅胶;
步骤2、将步骤1得到的复合有机硅胶投入螺杆挤出机,螺杆挤出机的口径为400mm,挤出速度为5mm/min,复合有机硅胶经带加热装置的螺杆挤出机挤出,挤出机的加热温度为25℃,再通过模头定向挤出,模头直径200mm,然后将挤出棒材在125℃下固化30min,待冷却后即得到挤出定向的石墨粉复合棒材;
步骤3、将步骤2得到的将挤出定向的石墨粉复合棒材,沿垂直于挤出方向,按49mm进行纵向切割,切割之后的片材即为所述的挤出定向导热垫片。
测试方法说明:
(1)导热系数:采用稳态法ASTM D5470标准进行测试;
(2)密度:采用气体置换法ASTM B923标准进行测试;
(3)接触热阻:参照ASTM D5470标准,测试三个不同厚度下产品的热阻,经过拟合之后得到热阻与厚度的对应曲线,当厚度为零时的热阻即为接触热阻;
(4)韧性:90°反复弯折10次。
各实施例和对比例的测试实验数据如表1所示。
表1各实施例和对比例的测试实验数据
通过表1中的测试实验数据可以看出,本发明制备的高导热垫片具有低密度、高导热系数、韧性好、耐弯折、接触热阻低等特性,导热系数为15~80W/m·K,高于对比例中挤出定向导热垫片的导热系数13W/m·K;密度为1.6~2.5g/cm3,低于对比例中挤出定向导热垫片的密度2.7g/cm3;接触热阻为0.003~0.006℃·in2/W,低于对比例中挤出定向导热垫片的接触热阻0.041℃·in2/W,90°反复弯折10次不断裂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高导热垫片,其特征在于,包括导热膜、离型膜和混合树脂,所述导热膜为人工石墨膜、天然石墨膜、碳纳米管纸或石墨烯纸,所述离型膜为硅油离型膜或氟素离型膜,所述混合树脂按重量份计包括以下组分:乙烯基硅油50~200份、含氢硅油0.5~15份、催化剂0.5~5份、抑制剂0.1~2份、偶联剂1~10份、氧化铝0~1000份、氧化锌0~300份。
2.根据权利要求1所述的高导热垫片,其特征在于,所述人工石墨膜的平面导热系数为1200~2500W/m·K,所述天然石墨膜的平面导热系数为400~1200W/m·K,所述碳纳米管纸的平面导热系数为50~200W/m·K,所述石墨烯纸的平面导热系数为200~1200W/m·K。
3.根据权利要求1所述的高导热垫片,其特征在于,所述导热膜的厚度为0.010~0.200mm。
4.根据权利要求1所述的高导热垫片,其特征在于,所述离型膜的离型力为0.1~10g。
5.根据权利要求1所述的高导热垫片,其特征在于,所述乙烯基硅油的乙烯基含量为0.5~1.8%,粘度50~1000mPa·s;所述含氢硅油的氢含量为0.1~3%,粘度为50~500mPa·s。
6.根据权利要求1所述的高导热垫片,其特征在于,所述催化剂为铂金催化剂,所述抑制剂为炔醇类抑制剂,所述偶联剂为钛酸酯或硅烷偶联剂,所述氧化铝的粒径为5~40μm,所述氧化锌的粒径为0.2~5μm。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的高导热垫片的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、将导热膜弯折成连续的W型,得到W型导热膜,弯折高度h根据垫片的目标厚度决定;
步骤2、将步骤1得到的W型导热膜置于灌胶槽,根据需求设置W型导热膜的间隙d,W型导热膜的上下各覆离型膜,离型膜的离型面与W型导热膜接触;
步骤3、将混合树脂的各组分在15~50rpm下搅拌抽真空0.5~2h,得到混合树脂;
步骤4、将步骤3得到的混合树脂注入灌胶槽至与W型导热膜的弯折高度h齐平后,置于真空烘箱抽真空0.5~3h,然后灌胶槽的上压平板压至目标厚度,加热至120~150℃,固化成型15~45min,取出固化成型产品,即得到在纵向具有高导热系数的导热垫片。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述弯折高度h为0.1~100mm。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述W型导热膜的间隙d为0.1~200mm。
10.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述W型导热膜的宽度w为20~200cm。
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