RU2780121C1 - Method for obtaining a polymer matrix composite material with exfoliated boron nitride with increased thermal conductivity - Google Patents
Method for obtaining a polymer matrix composite material with exfoliated boron nitride with increased thermal conductivity Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780121C1 RU2780121C1 RU2021113735A RU2021113735A RU2780121C1 RU 2780121 C1 RU2780121 C1 RU 2780121C1 RU 2021113735 A RU2021113735 A RU 2021113735A RU 2021113735 A RU2021113735 A RU 2021113735A RU 2780121 C1 RU2780121 C1 RU 2780121C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron nitride
- hexagonal boron
- filler
- thermal conductivity
- polymer
- Prior art date
Links
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 25
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N N#B Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 25
- 239000011160 polymer matrix composite Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 claims abstract description 11
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N iso-propanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 7
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 7
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 2
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 1
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000011528 polyamide (building material) Substances 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к конструкционным композиционным материалам на полимерной основе и может быть использовано для получения корпусов устройств мелкой электроники или печатных плат устройств с повышенным тепловыделением, как методом литья под давлением, так и с применением аддитивных технологий.The invention relates to polymer-based structural composite materials and can be used to produce housings for small electronics devices or printed circuit boards for devices with increased heat generation, both by injection molding and using additive technologies.
Известен теплопроводящий электроизоляционный композиционный материал (RU 2643985 С1, опублик. 06.02.2018 г.), который получен методом полимеризационного наполнения и содержит в качестве полимерной матрицы сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), а в качестве наполнителя частицы гексагонального нитрида бора (h-BN), имеющие слоистую структуру. Степень наполнения составляет до 95% (то есть материал представляет собой практически чистый нитрид бора) и показана высокая теплопроводность не менее 3,4 Вт/м⋅К перпендикулярно плоскости приложения силы при прессовании.A heat-conducting electrically insulating composite material is known (RU 2643985 C1, published on 02/06/2018), which is obtained by polymerization filling and contains ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) as a polymer matrix, and particles of hexagonal boron nitride (h-BN) as a filler, having a layered structure. The degree of filling is up to 95% (that is, the material is practically pure boron nitride) and a high thermal conductivity of at least 3.4 W/m⋅K is shown perpendicular to the plane of application of the pressing force.
Недостатком данного метода являются недостаточные прочностные характеристики, которые при такой высокой степени наполнения не позволяют сохранить прочность на изгиб, а в опубликованном описании прочность исследована только при сжатии, что не дает никаких оснований утверждать, что материал сохраняет свои прочностные свойства при такой высокой степени наполнения. Для использования данного материала в конструкциях наподобие корпусов устройств или печатных плат требуется достаточно высокие показатели прочности на изгиб и растяжение, но авторы патента этих данных не приводят. Метод смешения при этом подразумевает введение наполнителя на этапе полимеризации материала матрицы, что отличает данный метод от предлагаемого подхода.The disadvantage of this method is insufficient strength characteristics, which, at such a high degree of filling, do not allow maintaining bending strength, and in the published description, the strength was studied only in compression, which does not give any reason to assert that the material retains its strength properties at such a high degree of filling. To use this material in structures like device cases or printed circuit boards, sufficiently high bending and tensile strengths are required, but the authors of the patent do not provide these data. The mixing method in this case implies the introduction of a filler at the stage of polymerization of the matrix material, which distinguishes this method from the proposed approach.
Наиболее близким к предложенному материалу по технической сущности является теплопроводящий электроизоляционный композиционный материал (US 9,434,870 В2, опублик. 06.09.2016 г.), который получают введением частиц гексагонального нитрида бора в матричный материал методом экструзии с использованием двухшнекового экструдера. При этом композиционный материал имеет высокие значения теплопроводности, но эта теплопроводность обладает большой анизотропией, а именно: поперек направления ориентации частиц она колеблется около 1 Вт/м К, а вдоль направления ориентации частиц она может достигать 5 Вт/м К.The closest to the proposed material in terms of technical essence is a heat-conducting electrically insulating composite material (US 9,434,870 B2, published on 09/06/2016), which is obtained by introducing particles of hexagonal boron nitride into a matrix material by extrusion using a twin screw extruder. In this case, the composite material has high thermal conductivity values, but this thermal conductivity has a large anisotropy, namely, it fluctuates about 1 W/m K across the particle orientation direction, and it can reach 5 W/m K along the particle orientation direction.
Недостатком известного способа является использование полиамидной матрицы с высокой собственной теплопроводностью до 0,8 Вт/м К и высокой стоимостью исходного полимера, которая в 15 раз превышает стоимость более распространенных и простых в получении полимеров, таких как полиэтилен, PTFE и тем более полипропилен. К тому же полиамиды имеют более высокую температуру переработки, что также поднимает себестоимость материала.The disadvantage of the known method is the use of a polyamide matrix with a high intrinsic thermal conductivity of up to 0.8 W/m K and a high cost of the initial polymer, which is 15 times higher than the cost of more common and easy to obtain polymers such as polyethylene, PTFE, and even more so polypropylene. In addition, polyamides have a higher processing temperature, which also raises the cost of the material.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения полимерматричных композитов с повышенной теплопроводностью и сохранением механических свойств материала.The technical objective of the present invention is to develop a method for obtaining polymer matrix composites with increased thermal conductivity and maintaining the mechanical properties of the material.
Технический результат, достигаемый в реализации изобретении, заключается в повышении теплопроводности полимерматричного композита с сохранением его механических свойств, а также в снижении себестоимости материала.The technical result achieved in the implementation of the invention is to increase the thermal conductivity of the polymer matrix composite while maintaining its mechanical properties, as well as to reduce the cost of the material.
Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.
В способе получения полимерматричных композитов с наполнителем в виде эксфолиированного гексагонального нитрида бора проводят обработку в изопропиловом спирте ультразвуком в течение 8-24 часов порошка гексагонального нитрида бора, концентрацию которого выбирают в диапазоне 0,5-1,5 г/л, после чего из полученной дисперсии выделяют путем центрифугирования образовавшиеся эксфолиированные частицы гексагонального нитрида бора в надосадочную жидкость, которую смешивают с матричным материалом, изготовленным при растворении 0,9-1,5 г низковязкого полипропилена (Kunststoffe International 8/2013, pp.56-58, https://doi.org/10.1515/epoly-2019-0034) в 50 мл толуола, при этом количество надосадочной жидкости в смеси выбирают из условия последующего содержания наполнителя в композите в количестве 3-30 (% мас.), затем проводят выпаривание растворителей из полученной смеси и просушивание оставшейся вязкой массы.In a method for producing polymer matrix composites with a filler in the form of exfoliated hexagonal boron nitride, hexagonal boron nitride powder is sonicated in isopropyl alcohol for 8-24 hours, the concentration of which is chosen in the range of 0.5-1.5 g/l, after which from the resulting dispersions are isolated by centrifugation of the resulting exfoliated particles of hexagonal boron nitride into the supernatant, which is mixed with a matrix material made by dissolving 0.9-1.5 g of low-viscosity polypropylene (Kunststoffe International 8/2013, pp.56-58, https:// doi.org/10.1515/epoly-2019-0034) in 50 ml of toluene, while the amount of supernatant in the mixture is selected from the condition of the subsequent content of the filler in the composite in the amount of 3-30 (% wt.), then the solvents are evaporated from the resulting mixture and drying the remaining viscous mass.
Основным отличием способа является использование в композите в качестве наполнителя эксфолиированных частиц гексагонального нитрида бора, которые приводят к повышению теплопроводности получаемых материалов при достаточно низких степенях наполнения без образования крупных включений, которые могут являться причиной снижения прочности на изгиб или разрыв. Другим важным отличием является использование в композите полиолефинов в качестве матричных материалов, обладающих низкой стоимостью и легко поддающихся вторичной переработке.The main difference of the method is the use in the composite of exfoliated particles of hexagonal boron nitride as a filler, which lead to an increase in the thermal conductivity of the resulting materials at sufficiently low degrees of filling without the formation of large inclusions, which can cause a decrease in bending or tensile strength. Another important difference is the use of polyolefins as matrix materials in the composite, which are low cost and easily recyclable.
Изобретение реализуется следующим образом.The invention is implemented as follows.
В способе используют наполнитель, обладающий высокой собственной теплопроводностью в сочетании с высокими электроизоляционными характеристиками. В качестве материала наполнителя предлагается использовать эксфолиированный гексагональный нитрид бора, теплопроводность которого в массивном состоянии может составлять до 200 Вт/м К вдоль кристаллографической плоскости 001.The method uses a filler that has a high intrinsic thermal conductivity combined with high electrical insulation characteristics. As a filler material, it is proposed to use exfoliated hexagonal boron nitride, the thermal conductivity of which in the bulk state can be up to 200 W/m K along the 001 crystallographic plane.
Так как данный материал обладает слоистой структурой его можно получить в виде очень тонких чешуек за счет расслоения по плоскости 001. Такой вид обработки может быть достигнут в результате воздействия ультразвука на гексагональный нитрид бора.Since this material has a layered structure, it can be obtained in the form of very thin flakes due to delamination along the 001 plane. This type of processing can be achieved by sonicating hexagonal boron nitride.
Частицы эксфолиированного нитрида бора могут быть введены в полиолефины для придания композиту повышенной теплопроводности без ухудшения при этом его механических характеристик за счет гибкости более тонких частиц.Particles of exfoliated boron nitride can be introduced into polyolefins to impart increased thermal conductivity to the composite without compromising its mechanical characteristics due to the flexibility of thinner particles.
В качестве материала наполнителя используют эксфолиированные частицы гексагонального нитрида бора, которые получают в результате воздействия ультразвука на порошок гексагонального нитрида бора в изопропиловом спирте с концентрацией 0,5-1,5 г/л и дальнейшего центрифугирования изготовленной дисперсии с выделением полученных эксфолиированных частиц гексагонального нитрида бора в надосадочную жидкость.As the filler material, exfoliated particles of hexagonal boron nitride are used, which are obtained as a result of exposure to ultrasound on a powder of hexagonal boron nitride in isopropyl alcohol with a concentration of 0.5-1.5 g/l and further centrifugation of the manufactured dispersion to isolate the obtained exfoliated particles of hexagonal boron nitride into the supernatant.
Введение частиц наполнителя в матричный материал осуществляется путем смешения раствора полимера в подходящем органическом растворителе с надосадочной жидкостью, содержащей эксфолиированные частицы нитрида бора, с проведением последующей сушки.The introduction of filler particles into the matrix material is carried out by mixing a solution of the polymer in a suitable organic solvent with a supernatant containing exfoliated particles of boron nitride, followed by drying.
Полученные таким образом композиционные материалы характеризуются теплопроводностью 0,7 Вт/м К при степени содержания наполнителя до 30% (% мас.).The composite materials obtained in this way are characterized by a thermal conductivity of 0.7 W/m K at a filler content of up to 30% (% wt.).
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером.The present invention is illustrated by the following example.
ПримерExample
Сначала проводят обработку исходных частиц гексагонального нитрида бора с размером частиц 2-3 мкм в среде изопропилового спирта с помощью либо ультразвуковой ванны либо высокомощного ультразвукового диспергатора/гомогенизатора с сонородом. Обработка в ультразвуком ведется в течение 24 часов, концентрация частиц гексагонального нитрида бора в дисперсии составляет 0,5-1,5 г/л. Далее полученную дисперсию разливают по емкостям для дальнейшего центрифугирования, скорость вращения ротора должна составлять не менее 5000 об/мин, а процесс продолжаться не менее 7 минут.Затем полученную надосадочную жидкость сливают с осадка и дальнейшие манипуляции проводят с тем количеством материала, которое осталось в дисперсии.First, the initial particles of hexagonal boron nitride with a particle size of 2-3 μm are processed in an isopropyl alcohol medium using either an ultrasonic bath or a high-power ultrasonic disperser/homogenizer with a sonorode. Ultrasonic treatment is carried out for 24 hours, the concentration of particles of hexagonal boron nitride in the dispersion is 0.5-1.5 g/l. Next, the resulting dispersion is poured into containers for further centrifugation, the rotor speed should be at least 5000 rpm, and the process should continue for at least 7 minutes. Then the resulting supernatant is drained from the sediment and further manipulations are carried out with the amount of material that remains in the dispersion .
После этого готовят матричный материал, при этом используют низковязкий полипропилен, в виде гранул, который растворяют в горячем толуоле (100°С) при постоянном перемешивании. Концентрация полипропилена варьируется в количестве 0,9-1,5 г на 50 мл толуола.After that, a matrix material is prepared, using low-viscosity polypropylene, in the form of granules, which is dissolved in hot toluene (100°C) with constant stirring. The concentration of polypropylene varies in the amount of 0.9-1.5 g per 50 ml of toluene.
Далее в приготовленную дисперсию матричного материала выливают ранее полученную надосадочную жидкость с эксфолиированными частицами гексагонального нитрида бора, при этом количество надосадочной жидкости в смеси выбирают из условия последующего содержания наполнителя в композите в количестве 3-30 (% мас). После этого перемешивание прекращают, а смесь нагревают до 150°С для ускорения выпаривания растворителей. Полученную таким образом вязкую массу подвергают сушке в сушильном шкафу в течение 2 часов.Next, the previously obtained supernatant liquid with exfoliated particles of hexagonal boron nitride is poured into the prepared dispersion of the matrix material, while the amount of the supernatant liquid in the mixture is selected from the condition of the subsequent content of the filler in the composite in the amount of 3-30 (% wt). After that, the stirring is stopped, and the mixture is heated to 150°C to accelerate the evaporation of the solvents. The viscous mass thus obtained is dried in an oven for 2 hours.
Измерения тепловых свойств проводят на таблетках 10 мм в диаметре, которые готовят прессованием при 150-170°С и давлении 5 МПа.Measurements of thermal properties are carried out on tablets 10 mm in diameter, which are prepared by pressing at 150-170°C and a pressure of 5 MPa.
Изготовленные таким образом таблетки композита имеют до 30 (% мас) наполнителя, при этом теплопроводность композита равна до 0,72 Вт/м К, при его температуропроводности порядка 0,47 мм2/с и плотности 1046 кг/м3.Composite tablets produced in this way have up to 30 (% wt) of filler, while the thermal conductivity of the composite is up to 0.72 W/m K, with its thermal diffusivity of the order of 0.47 mm 2 /s and density of 1046 kg/m 3 .
В таблице приведены свойства образцов композиционных материалов полипропилен/нитрид бора (PP/hBN), полученных в виде таблеток, где:The table shows the properties of samples of composite materials polypropylene / boron nitride (PP / hBN), obtained in the form of tablets, where:
χ - температуропроводность,χ - thermal diffusivity,
ρ - плотность,ρ - density,
Ср - удельная теплоемкость,Ср - specific heat capacity,
α - теплопроводность.α - thermal conductivity.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2780121C1 true RU2780121C1 (en) | 2022-09-19 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2148062C1 (en) * | 1998-09-03 | 2000-04-27 | Комбинат "Электрохимприбор" | Method of preparing polymer composition |
RU2476457C2 (en) * | 2007-09-18 | 2013-02-27 | Шлюмбергер Технолоджи Б.В. | Oil-field device, oil-field element of said device, having functionalised graphene plates, method of conducting oil-field operation and method of modifying functionalised graphene plates |
US9434870B2 (en) * | 2012-09-19 | 2016-09-06 | Momentive Performance Materials Inc. | Thermally conductive plastic compositions, extrusion apparatus and methods for making thermally conductive plastics |
RU2643985C1 (en) * | 2017-01-16 | 2018-02-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН) | Heat-conductive electrically insulating composite material |
US20180230290A1 (en) * | 2017-02-10 | 2018-08-16 | E I Du Pont De Nemours And Company | Thermally conductive polymer composition |
RU2732255C1 (en) * | 2015-09-09 | 2020-09-14 | Пепсико, Инк. | Method of producing polymers containing hexagonal boron nitride |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2148062C1 (en) * | 1998-09-03 | 2000-04-27 | Комбинат "Электрохимприбор" | Method of preparing polymer composition |
RU2476457C2 (en) * | 2007-09-18 | 2013-02-27 | Шлюмбергер Технолоджи Б.В. | Oil-field device, oil-field element of said device, having functionalised graphene plates, method of conducting oil-field operation and method of modifying functionalised graphene plates |
US9434870B2 (en) * | 2012-09-19 | 2016-09-06 | Momentive Performance Materials Inc. | Thermally conductive plastic compositions, extrusion apparatus and methods for making thermally conductive plastics |
RU2732255C1 (en) * | 2015-09-09 | 2020-09-14 | Пепсико, Инк. | Method of producing polymers containing hexagonal boron nitride |
RU2643985C1 (en) * | 2017-01-16 | 2018-02-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН) | Heat-conductive electrically insulating composite material |
US20180230290A1 (en) * | 2017-02-10 | 2018-08-16 | E I Du Pont De Nemours And Company | Thermally conductive polymer composition |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zheng et al. | Electrical and mechanical properties of expanded graphite‐reinforced high‐density polyethylene | |
Cheewawuttipong et al. | Thermal and mechanical properties of polypropylene/boron nitride composites | |
CN107686597B (en) | Oriented graphene oxide/polyolefin composite material and preparation method thereof | |
Shen et al. | Achieving a high thermal conductivity for segregated BN/PLA composites via hydrogen bonding regulation through cellulose network | |
TW201248113A (en) | Producing method of thermal conductive sheet and thermal conductive sheet | |
Swain et al. | PA6/clay nanocomposites by continuous sonication process | |
Su et al. | Microdiamond/PLA composites with enhanced thermal conductivity through improving filler/matrix interface compatibility | |
Li et al. | Thermal conductivity enhancement of poly (3-hydroxylbutyrate) composites by constructing segregated structure with the aid of poly (ethylene oxide) | |
Lei et al. | Design of h-BN-filled cyanate/epoxy thermal conductive composite with stable dielectric properties | |
Yang et al. | Solid‐state shear milling method to prepare PA12/boron nitride thermal conductive composite powders and their selective laser sintering 3D‐printing | |
Ghahramani et al. | The effect of filler localization on morphology and thermal conductivity of the polyamide/cyclic olefin copolymer blends filled with boron nitride | |
Min et al. | Simultaneously improved toughness and dielectric properties of epoxy/graphite nanosheet composites | |
Duan et al. | Novel poly (m‐phenyleneisophthalamide) dielectric composites with enhanced thermal conductivity and breakdown strength utilizing functionalized boron nitride nanosheets | |
Mao et al. | Selective distribution of SrTiO3 in co-continuous composites: An effective method to improve the dielectric and mechanical properties | |
Basturk et al. | Dielectric performance of composites of BaTiO3 and polymers for capacitor applications under microwave frequency | |
Uyor et al. | Thermal, mechanical and dielectric properties of functionalized sandwich BN-BaTiO3-BN/polypropylene nanocomposites | |
Li et al. | Enhanced electromagnetic interference shielding and mechanical properties of foamed epoxy nanocomposites containing carbon nanofiber treated with silicone surfactant | |
RU2780121C1 (en) | Method for obtaining a polymer matrix composite material with exfoliated boron nitride with increased thermal conductivity | |
Xie et al. | Effect of shell phase composition on the dielectric property and energy density of core‐shell structured BaTiO3 particles modified poly (vinylidene fluoride) nanocomposites | |
Gaska et al. | Highly structured graphene polyethylene nanocomposites | |
Guo et al. | Processing and properties of phthalic anhydride modified soy protein/glycerol plasticized soy protein composite films | |
Lu et al. | Investigation on the preparation and properties of low-dielectric ethylene-vinyl acetate rubber/mesoporous silica composites | |
Iyer Ganapathi et al. | Effect of multistage sonication on dispersive mixing of polymer nanocomposites characterized via shear‐induced crystallization behavior | |
Wang et al. | Thermal, dynamic‐mechanical, and dielectric properties of surfactant intercalated graphite oxide filled maleated polypropylene nanocomposites | |
Chen et al. | Preparation and properties study of thermally conductive epoxy/modified boron nitride/graphene nanosheets composites |