TWI653327B - 可壓縮之導熱物件 - Google Patents

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Abstract

一種可壓縮之導熱片材，包含於一發泡材料中之複數個貫穿孔，該等貫穿孔連接第一傳熱表面及第二傳熱表面以在該等表面之間提供熱通路。該等貫穿孔係經一非發泡導熱組合物填充，其中導熱顆粒填料分散於一聚合物基質。亦揭示一種包含該可壓縮之導熱片材之一熱管理總成。

Description

可壓縮之導熱物件
本發明所揭示者係為導熱發泡產品。本發明可用於提供電子裝置中之熱管理。
諸如電視、無線電、電腦、醫療儀器、商業機器、通信設備等電子裝置(例如、及諸如此類)之電路設計變得越來越小且越來越薄。較小的電子組件被密集地裝入越來越小之區域中。而且，該等裝置功率之提高導致需要將更多能量擠壓入更小之空間中。因此，製造商持續地面臨耗散該等電子裝置內所生成熱之挑戰。
因此，已開發用於熱管理以自電子裝置耗散熱之新穎設計。舉例而言，美國專利第6,591,897號揭示一種用於電子裝置之熱壑，該熱壑具有複數個用於傳導來自一分流板之熱之柱狀插腳，該等柱狀插腳係安裝於該分流板之頂部表面上。一發泡塊係安裝於該分流板上且圍繞該等柱狀插腳。然而，該發泡材料主要用於傳熱而非用於可壓縮性能。
美國專利公開案第2012/0048528號揭示一種可壓縮之導熱發泡墊，該導熱發泡墊係經塗佈、模製或擠出，並以該發泡墊總重量之約20%與80%間之量填充有陶瓷填料(例如，Al2O3或BN(氮化硼)粒子)。 該發泡墊可係選自各種彈性體材料，包括矽或聚氨酯。由於該墊之厚度，在該墊中提供充氣貫穿孔(通孔)以提供進一步的可壓縮性能。複數個通孔之存在為一般而言不可壓縮之產品在經受一外力或負載時提供壓縮性。已發現，隨熱界面上之負載提高，孔隙體積降低，此導致導熱率隨負載提高而提高。該發泡體可具有至少0.5W/m-K之導熱率。
儘管已經提出用於熱管理之各種材料及設計(如上文所例示)，但很明顯電子裝置製造商持續期望使用新的且經改良之熱管理材料。
因此，本發明之一目的係提供一種用於電子裝置及其他應用之經改良之熱管理產品。該產品應具有用於特定應用所須時的優異傳熱效率及熱耗散，以及整合性與小巧的大小。該產品亦應能夠被有利的製造。
本發明係關於一種可壓縮之導熱產品，該導熱產品適於設置於二個傳熱表面(例如一電子組件與一熱壑之傳熱表面)之間，進而在該等表面之間提供熱通路。一熱管理總成可包含接觸二個傳熱表面之此種產品。
在一個實施態樣中，一可壓縮之導熱片材具有一第一傳熱表面及一第二傳熱表面以及複數個貫穿孔，該等貫穿孔連接該第一傳熱表面與該第二傳熱表面以在該第一傳熱表面與該第二傳熱表面之間提供一熱通路，該可壓縮之導熱片材包含一發泡聚合物墊，該發泡聚合物墊具有被填充一非發泡導熱組合物之複數個貫穿孔，該非發泡導熱組合物包含分散於一聚合物基質中的導熱顆粒填料。
在另一實施態樣中，一可壓縮之導熱片材具有一第一傳熱 表面及一第二傳熱表面以及複數個貫穿孔，該等貫穿孔實質上橫交該第一傳熱表面及該第二傳熱表面以在該第一傳熱表面與該第二傳熱表面之間提供一熱通路，該可壓縮之導熱片材包含一發泡聚合物墊，該發泡聚合物墊具有被填充一非發泡導熱組合物之複數個貫穿孔，該非發泡導熱組合物包含約20重量%至約80重量%之分散導熱顆粒填料，其中該顆粒填料係選自由金屬及非金屬氧化物、氮化物、碳化物、二硼化物粒子、石墨粒子、金屬粒子、及其組合所組成之群組，且具有25W/m-K至500W/m-K之平均導熱率，其中該顆粒填料分散於一聚合物基質，該聚合物基質包含二種聚矽氧樹脂之反應產物；且其中該可壓縮之導熱片材具有至少0.75W/m-K之導熱率。
本發明亦涉及一種總成，包括熱界面、接觸該熱界面之一個表面的一第一傳熱表面、及接觸該熱界面之一第二相對表面的一第二傳熱表面。
藉由以下圖式及詳細說明例示以上所述及其他特徵。
第1圖顯示根據本文實例1之一可壓縮之導熱片材的一個實施態樣的SEM(掃描電子顯微鏡)影像，其中發泡墊係經穿孔成每平方公尺穿有1 x 106個孔，且一薄塗層係提供於該片材之表面上。
第2圖顯示本文實例3之實施態樣的SEM影像，其中發泡片材係經穿孔成每平方公尺穿有500,000個孔，且一薄填充塗層係提供於聚氨酯片材之表面上。
第3圖顯示本發明再一實施態樣的SEM影像，其中該發泡 片材係經穿孔成每平方公尺穿有500,000個孔，且一相對較厚填充塗層於發泡片材材料之二個表面上產生連續聚矽氧層。
一種可壓縮之導熱片材係藉由以下方式獲得：使一可壓縮之發泡墊(亦稱為一基材或發泡層)穿孔，並用具有高導熱率之一聚合物組合物或聚合物摻合物填充該等經穿孔之貫穿孔(或「通孔」)，由此提供z軸導熱率。頂部表面及底部表面二者皆可塗佈有一導熱聚合物摻合物，以便該片材材料在x-y或平面方向上亦將具有導熱性。
該片材材料具有保留發泡基材之可壓縮性及壓縮永久變形(compression set)性質同時顯著改良導熱率之益處。舉例而言，該發泡基材在製作該等貫穿孔之前可具有0.01W/m-K至0.2W/m-K之初始導熱率，此可被認為係絕緣體之特性。藉由提供本文所述之經填充貫穿孔，導熱率可經改善至高於0.5W/m-K、特別是高於1W/m-K。
在一個實施態樣中，一熱管理總成包含二個傳熱表面：一第一傳熱表面，其為一發熱表面，特別是電子組件之一部分；以及一第二傳熱表面，其為散熱元件(例如一熱壑或電路板)之一部分。
該片材材料可藉由澆鑄、擠出、模製、或其他傳統製程形成。該等貫穿孔可經壓印、沖孔、模切、或其他方式加工於該片材中。在商業量產中，該片材可自較大片材或捲材(roll stock)切割。特定而言，該可壓縮之導熱片材可方便地自固體發泡片材材料藉由利用切割工具或模具形成完全貫穿該片材之複數個貫穿孔、且隨後移除孔屑(chad)來製備。作為另一選擇，複數個貫穿孔可在墊製造之操作期間模製於該墊中。製備 本發明發泡墊之其他方法對於熟習此項技術者將是顯而易見的。
由於發泡墊係可壓縮的，因此其易於符合第一傳熱表面及第二傳熱表面，無論該等表面係規則或不規則形狀。當片材被壓縮時，導熱率提高，進而增強自電子裝置至熱壑之傳熱。此可用於為具體應用提供所需之熱管理，其中電子裝置中之溫度敏感元件可維持在規定之操作溫度內以避免顯著效能劣化或甚至系統故障。
該等貫穿孔可在至少部分橫向方向上(特定而言垂直於該片材接觸該二個傳熱表面之相對表面之平面)實質上延伸穿過該片材之厚度(Z-維度)。該片材可係實質上平坦或可具有不規則表面，因為此將提供與其意欲接觸之傳熱表面的最佳接觸。
該等貫穿孔可具有各種剖面幾何形狀。該等貫穿孔中的每一者可具有內部周邊表面，該內部周邊表面可大致為具有大致圓形、橢圓形、卵形三角形、正方形多邊形、或其他閉合幾何截面之剖面。特定言之，該等貫穿孔可為圓柱形。該等貫穿孔之直徑或形狀可為恆定的或可在z方向上變化。該等貫穿孔可為有規律地(即，均勻間隔開)或無規律地(例如非均勻間隔)分佈，且對於大多數應用而言將具有介於約0.5毫米至5毫米之間、特定而言0.3毫米至2毫米之直徑(或等效直徑)。就此而言，藉由在x及y方向上預定適當之通孔間距，發泡墊可具有介於約每平方公尺100,000個孔與每平方公尺2百萬個孔之間、特定而言每平方公尺250,000個孔及每平方公尺1,250,000個孔之總貫穿孔密度。
用於填充該發泡墊之非發泡導熱組合物可在聚合物基質中以足以提供預期應用所需之導熱率之比例包含導熱粒子。一般而言，負載 可為約15重量%至約90重量%、特定而言25重量%至80重量%、更特定而言30重量%至70重量%、最特定而言40重量%至60重量%之量的導熱填料粒子。在一個實施態樣中，該等粒子可使用任意數目之此項技術領域中熟知之傳統技術(例如藉由複合、摻合等)有利地併入聚矽氧組合物中。
對於本發明之目的來說，填料粒子之大小及形狀並非關鍵。就此而言，填料粒子可具有任何顆粒形狀，包括實心或空心球形或微球形片、薄片、不規則或纖維形狀，特別是用於獲得均勻分散及均質機械及熱性質之粉末。填料之粒徑或分佈通常可在約0.01密耳(mil)至約10密耳、特定而言10微米(μm)至500微米、更特定而言30微米至300微米、最特定而言50微米至200微米(μm)之範圍，此係指最佳藉由如標準雷射粒子量測所得之平均直徑或等效直徑。
導熱顆粒填料可包括金屬及非金屬氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、石墨、及金屬粒子、及其混合物，且特別是氮化硼(BN)、二硼化鈦、氮化鋁、碳化矽、石墨、金屬(例如銀、鋁、及銅)、金屬氧化物(例如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈹、氧化銻)、及其混合物。陶瓷材料也包括在其中。該等填料在特性上展現出至少約20W/m-K之導熱率。出於經濟原因，可使用氧化鋁(即，鋁土)，而出於經改善導熱率之原因，氮化硼可係較佳的。特定而言，該填料可包含BN粒子。
在一個實施態樣中，具有加載有包含導熱填料之非發泡導熱組合物的貫穿孔的發泡墊根據ASTM D5470可展現至少約0.5W/m-K、特定而言1W/m-K之導熱率，該導熱率可依墊之厚度及材料及其設計之其他細節而變。
可壓縮之導熱片材產品可藉由將其設置於一第一傳熱表面與一第二傳熱表面中間以在該第一傳熱表面與該第二傳熱表面之間提供一熱通路而與電子設備一起使用。一個傳熱表面可為經設計以吸收熱之一組件，例如一熱壑或一電子電路板。另一(相對)傳熱表面可為一發熱源，例如一發熱電子組件。因此，該可壓縮之導熱片材之表面大致可為平面、多平面、曲面或複雜曲面、鋸齒形(indented)等。對於許多應用而言，發泡墊厚度可介於約0.1毫米與25毫米之間、特定而言0.25毫米至15毫米或10密耳至1000密耳(0.254毫米至25.4毫米)，且通常(但非必需)相對於發泡墊之縱向或橫向尺寸(如沿x及y軸所定義)之範圍較小。
本文所用之「發泡體」係指具有開孔結構之材料。基於聚合物發泡體之總體積，適宜發泡體具有低於約65磅/立方英尺(pcf)、特定而言小於或等於約55磅/立方英尺、更特定而言不超過25磅/立方英尺之密度，及/或至少約20%至約99%、特定而言大於或等於約30%之孔隙體積含量。在一個實施態樣中，該發泡體具有約5磅/立方英尺(lb/ft3)至約30磅/立方英尺(約80公斤/立方公尺至約481公斤/立方公尺)之密度、約0.5磅/平方英寸(lb/in2)至約20磅/平方英寸(約0.3公斤/平方公尺(kg/m2)至約1.41公斤/平方公尺)之25%壓縮力撓曲(compression force deflection，CFD)，及小於約10%、特定而言小於5%之約70℉(21℃)下之壓縮永久變形。
用於發泡體中之聚合物可選自各種熱塑性樹脂、熱塑性樹脂之摻合物、或熱固性樹脂。可使用之熱塑性樹脂之實例包括聚縮醛類、聚丙烯酸類、苯乙烯丙烯腈、聚烯烴、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、 聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚醯胺(例如但不限於耐綸6(Nylon 6)、耐綸6,6、耐綸6,10、耐綸6,12、耐綸11或耐綸12)、聚醯胺醯亞胺、聚芳酯、聚氨酯、乙烯丙烯橡膠(EPR)、聚芳基碸、聚醚碸、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚碸、聚醚醯亞胺、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯、聚二氟亞乙烯、聚氟乙烯、聚醚酮類、聚醚醚酮類、聚醚酮酮類等，或包含上述熱塑性樹脂中之至少一者之組合。
可用於聚合物發泡體中之熱塑性樹脂之摻合物的實例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/耐綸、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯/聚氯乙烯、聚苯醚/聚苯乙烯、聚苯醚/耐綸、聚碸/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯/熱塑性聚氨酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二酯、熱塑性彈性體合金、聚對苯二甲酸乙二酯/聚對苯二甲酸丁二酯、苯乙烯-順丁烯二酸酐/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮/聚醚碸、苯乙烯-丁二烯橡膠、聚乙烯/耐綸、聚乙烯/聚縮醛、乙烯丙烯橡膠(EPR)等，或包含上述摻合物中之至少一者之組合。
可用於聚合物發泡體中之聚合物熱固性樹脂之實例包括聚氨酯、環氧樹脂(epoxies)、酚醛樹脂(phenolics)、聚酯、聚醯胺、聚矽氧等，或包含上述熱固性樹脂中之至少一者之組合。可使用熱固性樹脂之摻合物以及熱塑性樹脂與熱固性樹脂之摻合物。
在一個實施態樣中，該發泡墊包含聚氨酯發泡體(例如開孔、低模數聚氨酯發泡體)，該聚氨酯發泡體可具有約50微米至250微米之平均開孔大小(可例如根據ASTM D 3574-95量測)，介於約5磅/立方英尺 至30磅/立方英尺、特定而言6磅/立方英尺至25磅/立方英尺之密度，小於約10%之壓縮永久變形，及介於約1磅/平方英寸(psi)至9磅/平方英寸(7千帕(kPa)至63千帕)之間之偏轉力。該等材料係以商品名Poron®4700由康乃狄克州伍德斯克鎮之Rogers公司出售。PORON®發泡體已被配製以提供一系列優異性質，包括壓縮永久變形抗性(compression set resistance)。具有良好壓縮永久變形抗性之發泡體提供緩衝，且在負荷下可延長維持其初始形狀或厚度達的期間。
額外導熱填料及/或傳導聚合物可包括在聚氨酯發泡墊之調配物中，此取決於所設想之具體應用的需求。通常，該等填料及添加劑可摻合或以其他方式與調配物摻混，且可構成其總體積之約0.05%至80%之間或更多。
聚氨酯發泡墊可以機械及/或化學方式製造(例如，藉由物理發泡(physical blowing)(例如，機械起泡)、化學發泡、以及包含上述中之至少一者的組合)。舉例而言，聚合物混合物可機械起泡、隨後固化，此後可藉由澆鑄使該等發泡體形成為片材。
一般而言，聚氨酯發泡體可自反應性組合物形成，反應性組合物包含與活性含氫組分具有反應性之有機異氰酸酯組分、表面活性劑、及觸媒。用於製備聚氨酯發泡體之有機異氰酸酯組分一般而言包含具有通式Q(NCO)i之多異氰酸酯，其中「i」係平均值大於2之整數，且Q係價數為「i」之有機基團。Q可為經取代或未經取代之烴基團(例如，適當價數之烷烴或芳香族基團)。Q可為具有式Q1-Z-Q1之基團，其中Q1係伸烷基或伸芳基且Z係-O-、-O-Q1-S、-CO-、-S-、-S-Q1-S-、-SO-或-SO2-。實例性異 氰酸酯包括六亞甲基二異氰酸酯、1,8-二異氰酸基-p-甲烷、二甲苯基二異氰酸酯、二異氰酸基環己烷、伸苯基二異氰酸酯、伸甲苯基二異氰酸酯(包括2,4-伸甲苯基二異氰酸酯、2,6-伸甲苯基二異氰酸酯、及粗製伸甲苯基二異氰酸酯)、雙(4-異氰酸基苯基)甲烷、氯伸苯基二異氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二異氰酸酯(亦稱為4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、或MDI)及其加合物、萘-1,5-二異氰酸酯、三苯基甲烷-4,4',4"-三異氰酸酯、異丙基苯-α-4-二異氰酸酯、聚合物異氰酸酯(例如聚亞甲基多苯基異氰酸酯)、及包含上述異氰酸酯中之至少一者的組合。
Q亦可代表價數為「i」之聚氨酯基團，在此情形中Q(NCO)i係稱為預聚物之組合物。該等預聚物係藉由將化學計量過量之如上文及下文所述之聚異氰酸酯與下文所述之含活性氫組分、特別是下文所述之含多羥基之材料或多元醇反應而形成。通常，舉例而言，聚異氰酸酯係以約30%至約200%化學計量過量之比例使用，化學計量係以每當量多元醇中之羥基的異氰酸酯基團當量數計。所採用之聚異氰酸酯之量將視所製備聚氨酯之性質而稍微變化。
該含活性氫組分可包含聚醚多元醇及聚酯多元醇。實例性聚酯多元醇包括多元醇與二元羧酸或其酯形成衍生物(例如酸酐、酯及鹵化物)之縮聚產物、可藉由內酯在多元醇存在下之開環聚合獲得之聚內酯多元醇、可藉由碳酸二酯與多元醇反應獲得之聚碳酸酯多元醇、及蓖麻油多元醇。可用於產生縮聚聚酯多元醇之實例性二元羧酸及二元羧酸之衍生物係脂肪族或環脂肪族二元羧酸，例如戊二酸、己二酸、癸二酸、反丁烯二酸及順丁烯二酸；二聚酸；芳香族二元羧酸，例如鄰苯二甲酸、間苯二 甲酸及對苯二甲酸；三元或更高官能之多元羧酸，例如均苯四甲酸；以及酸酐及二烷基酯，例如順丁烯二酸酐、鄰苯二甲酸酐及對苯二甲酸二甲酯。
額外含活性氫組分係環酯之聚合物。自至少一種環酯單體製備環酯聚合物已在專利文獻中充分記錄，如由美國專利第3,021,309號至第3,021,317號、第3,169,945號、及第2,962,524號中所例示。實例性環酯單體包括δ-戊內酯、ε-己內酯、ζ-庚內酯、及單烷基-戊內酯(例如，單甲基-戊內酯、單乙基-戊內酯、及單己基-戊內酯)。一般而言，聚酯多元醇可包含己內酯系聚酯多元醇、芳香族聚酯多元醇、乙二醇己二酸酯系多元醇、及包含上述聚酯多元醇中之至少一者之組合，且尤其是自ε-己內酯、己二酸、鄰苯二甲酸酐、對苯二甲酸及/或對苯二甲酸二甲基酯製得之聚酯多元醇。
聚醚多元醇係藉由將環氧烷(例如環氧乙烷、環氧丙烷等等、以及包含上述中至少一者之組合)化學添加至水或多羥基有機組分(例如乙二醇、丙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,2-己二醇、1,10-癸二醇、1,2-環己烷二醇、2-丁烯-1,4-二醇、3-環己烯-1,1-二甲醇、4-甲基3-環己烯-1,1-二甲醇、3-亞甲基-1,5-戊二醇、二乙二醇、(2-羥乙基)-1-丙醇、4-(2-羥乙基)-1-丁醇、5-(2-羥丙基)-1-戊醇、1-(2-羥基甲氧基)-2-己醇、1-(2-羥丙基)-2-辛醇、3-烯丙氧基-1,5-戊二醇、2-烯丙氧基甲基-2-甲基1,3-丙二醇、[4,4-戊氧基)-甲基]-1,3-丙二醇、3-(鄰-丙烯基苯氧基)-1,2-丙二醇、2,2'-二亞異丙基雙(對-伸苯基氧基)二乙醇、甘油、1,2,6-己三醇、1,1,1-三羥甲基乙烷、1,1,1-三羥甲基丙烷、3-(2-羥乙基)-1,2-丙二醇、3-(2-羥丙基)-1,2-丙二醇、2,4-二甲基-2- (2-羥乙基)-甲基戊二醇-1,5；1,1,1-三[2-羥乙基)甲基]-乙烷、1,1,1-三[2-羥丙基)-甲基]丙烷、二乙二醇、二丙二醇、新戊四醇、山梨糖醇、蔗糖、乳糖、α-甲基葡萄糖苷、α-羥烷基葡萄糖苷、酚醛清漆樹脂、磷酸、磷酸單苯酯(benzenephosphoric acid)、多磷酸(例如，三磷酸及四磷酸)、三元縮合產物等等、以及包含上述中至少一者之組合)所獲得。用於產生聚羥基伸烷基(polyoxyalkylene)多元醇之環氧烷一般具有2個至4個碳原子。環氧丙烷及環氧丙烷與環氧乙烷之混合物係較佳的。以上所列舉之多元醇本身可用作活性氫組分。
一類有用之聚醚多元醇通常由下式代表：R[(OCHnH2n)zOH]a，其中R係為氫或多價烴基；「a」係等於R之價數的整數，「n」在各情形中係包括在2至4之整數(特定而言3)，且「z」在各情形中係值為2至200、或更特定而言15至100的整數。聚醚多元醇適合包含二丙二醇、1,4-丁二醇、及2-甲基1,3-丙二醇中之一或多者之混合物，及諸如此類的混合物。
另一類可使用之含活性氫之材料係藉由在多元醇中聚合烯系不飽和單體獲得之聚合物多元醇組合物，如美國專利第3,383,351號中所述。產生該等組合物之實例性單體包括丙烯腈、氯乙烯、苯乙烯、丁二烯、二氯亞乙烯(vinylidene chloride)、及其他烯系不飽和單體。聚合物多元醇組合物可含有1重量%(wt%)至70重量%、或更特定而言5重量%至50重量%、及甚至更特定而言10重量%至40重量%在多元醇中聚合之單體，其中該重量%係基於多元醇之總重量。該等組合物係方便地藉由在自由基聚合觸媒(例如過氧化物、過硫酸鹽、過碳酸鹽、過硼酸鹽、偶氮化合物、及包 含上述中至少一者之組合)之存在下在40℃至150℃之溫度下在所選多元醇中聚合單體獲得。
含活性氫組分亦可含有含多羥基之化合物，例如羥基封端之聚烴(美國專利第2,877,212號)、羥基封端之聚縮甲醛(美國專利第2,870,097號)、脂肪酸三酸甘油酯(美國專利第2,833,730號及第2,878,601號)、羥基封端之聚酯(美國專利第2,698,838號、第2,921,915號、第2,591,884號、第2,866,762號、第2,850,476號、第2,602,783號、第2,729,618號、第2,779,689號、第2,811,493號、第2,621,166號及第3,169,945號)、羥甲基封端之全氟亞甲基(美國專利第2,911,390號及第2,902,473號)、羥基封端之聚伸烷基醚二醇(美國專利第2,808,391號；英國專利第733,624號)、羥基封端之聚伸烷基伸芳基醚二醇(美國專利第2,808,391號)、及羥基封端之聚伸烷基醚三醇(美國專利第2,866,774號)。
在一個實施態樣中，用於產生發泡體之反應性組合物可實質上根據日本專利公開案第Sho 53-8735號。適合使用之多元醇具有PO(環氧丙烷)及/或PTMG(經歷開環聚合之四氫呋喃)、或諸如此類中每一者之重複單元(稱為「單元(Unit)」)。在一特定實施態樣中，EO(環氧乙烷；(CH2CH2O)n)之量被最小化以改善發泡體之吸濕性。特定而言，多元醇中之EO單元之百分比(或EO單元比率)可小於或等於約20%。舉例而言，當欲使用之多元醇僅由PO單元及EO單元組成時，此多元醇設定為在[PO單元]：[EO單元]=100：0至約80：20之範圍內。EO單元之百分比稱為「EO含量」。
多元醇可具有在寬範圍內變化之羥基數。一般而言，多元 醇(包括其他交聯添加劑，若使用)之羥基數可為約28至約1,000及更高，或更特定而言約100至約800。羥基數被定義為完全中和在存在或不存其他交聯添加劑之情況下自1克多元醇或多元醇混合物所製得之完全乙醯化衍生物之水解產物所需的氫氧化鉀毫克數。羥基數亦可由以下方程式定義：
其中：OH係為多元醇之羥基數，f係平均官能度，其係為每分子多元醇之平均羥基數，且MW係為多元醇之平均分子量。
如上所述，發泡體可被化學發泡及/或物理發泡(例如，機械起泡)。當使用時，多種發泡劑可用於反應性組合物中，包括化學及/或物理發泡劑。化學發泡劑包括(例如)水、及在指定條件下(例如，在窄溫度範圍內)以高氣體產率分解之化學化合物。合適地分解產物不會風化或對發泡產品具有變色影響。實例性化學發泡劑包括水、偶氮二異丁腈、偶氮二甲醯胺(即，偶氮-雙-甲醯胺)及偶氮二甲酸鋇；經取代之肼(例如，二苯基碸-3,3'-二磺醯肼、4,4'-羥基-雙-(苯磺醯肼)、三肼基三嗪、及芳基-雙-(磺醯肼))；胺基脲(例如，對-伸甲苯基磺醯基胺基脲及4,4'-羥基-雙-(苯磺醯基胺基脲))；三唑(例如，5-嗎啉基-1,2,3,4-噻三唑)；N-亞硝基化合物(例如，N,N'-二亞硝基五亞甲基四胺及N,N-二甲基-N,N'-二亞硝基鄰苯二甲醯亞胺)；苯並噁嗪(例如，靛紅衍酸酐(isatoic anhydride))；以及包含上述中至少一者之組合，例如碳酸鈉/檸檬酸混合物。
發泡劑之量將視試劑及期望發泡體密度而變。一般而言， 該等發泡劑以反應性組合物之總重量計係以約0.1重量%至約10重量%之量使用。當採用水作為發泡劑之至少一者時(例如，基於反應性組合物之總重量約0.1重量%至約8重量%之量)，通常期望藉由選擇性地採用觸媒來控制固化反應。
亦可另外(或可選擇)使用物理發泡劑。該等發泡劑可選自寬範圍之材料，包括烴、醚、酯(包括部分鹵化之烴、醚、及酯)等，以及包含上述中至少一者之組合。實例性物理發泡劑包括CFC(氯氟碳化物(chlorofluorocarbons)，例如1,1-二氯-1-氟乙烷、1,1-二氯-2,2,2-三氟-乙烷、單氯二氟甲烷、及1-氯-1,1-二氟乙烷；FC(氟碳化物(fluorocarbons))，例如1,1,1,3,3,3-六氟丙烷、2,2,4,4-四氟丁烷、1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲基丙烷、1,1,1,3,3-五氟丙烷、1,1,1,2,2-五氟丙烷、1,1,1,2,3-五氟丙烷、1,1,2,3,3-五氟丙烷、1,1,2,2,3-五氟丙烷、1,1,1,3,3,4-六氟丁烷、1,1,1,3,3-五氟丁烷、1,1,1,4,4,4-六氟丁烷、1,1,1,4,4-五氟丁烷、1,1,2,2,3,3-六氟丙烷、1,1,1,2,3,3-六氟丙烷、1,1-二氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷、及五氟乙烷；FE(氟醚)，例如甲基-1,1,1-三氟乙基醚及二氟甲基-1,1,1-三氟乙基醚；烴類，例如正戊烷、異戊烷、及環戊烷；以及包含上述中至少一者之組合。與化學發泡劑一樣，物理發泡劑係以足以賦予所得發泡體期望體積密度之量使用。物理發泡劑可以反應性組合物之約5重量%至約50重量%、或更特定而言約10重量%至約30重量%之量使用。
能夠催化異氰酸酯組分與含活性氫組分之反應的許多觸媒可用於發泡體製備中。實例性觸媒包括膦；第三有機胺；以下各項之有機及無機酸鹽、及有機金屬衍生物：鉍、鉛、錫、鐵、銻、鈾、鎘、鈷、釷、 鋁、汞、鋅、鎳、鈰、鉬、釩、銅、錳、及鋯；以及包含上述中至少一者之組合。該等觸媒之特定實例包括二月桂酸二丁基錫、二乙酸二丁基錫、辛酸錫、辛酸鉛、環烷酸鈷、三乙胺、三伸乙基二胺、N,N,N',N'-四甲基伸乙基二胺、1,1,3,3-四甲基胍、N,N,N',N'-四甲基-1,3-丁烷二胺、N,N-二甲基乙醇胺、N,N-二乙基乙醇胺、1,3,5-三(N,N-二甲基胺基丙基)-s-六氫三嗪、o-及p-(二甲基胺基甲基)苯酚、2,4,6-三(二甲基胺基甲基)苯酚、N,N-二甲基環己基胺、五甲基二伸乙基三胺、1,4-二氮雜雙環[2.2.2]辛烷、羧酸N-羥基-烷基第四銨鹽及四甲基甲酸銨、四甲基乙酸銨、2-乙基己酸四甲基銨等等、以及包含上述觸媒中至少一者之組合。其他的觸媒係闡釋於2005年8月9日提出申請之共同讓與之美國專利申請案第11/200,536號中。
金屬乙醯丙酮酸鹽係基於諸如以下之金屬：鋁、鋇、鎘、鈣、鈰(III)、鉻(III)、鈷(II)、鈷(III)、銅(II)、銦、鐵(II)、鑭、鉛(II)、錳(II)、錳(III)、釹、鎳(II)、鈀(II)、鉀、釤、鈉、鋱、鈦、釩、釔、鋅及鋯。一常用觸媒係雙(2,4-戊烷二酸)鎳(II)(亦稱為乙醯丙酮酸鎳或二乙醯丙酮酸鎳)及其衍生物，例如可採用二乙腈二乙醯丙酮基鎳、二苯基腈二乙醯丙酮基鎳、雙(三苯基膦)二乙醯基乙醯丙酮基鎳等等。乙醯丙酮酸鐵(FeAA)由於其相對穩定性、良好催化活性、及無毒性而尤其較佳。
可將乙醯丙酮(2,4-戊烷二酮)添加至金屬乙醯丙酮酸鹽，如頒予Simpson之共同讓與之美國專利第5,733,945號中所揭示。於不受理論限制下，乙醯丙酮提供熱潛伏期，此容許所要求之混合、澆鑄及其他程序之時間，並避免低溫處理期間的有害的過早固化。然而，隨著材料在幾個 加熱區固化及聚氨酯混合物之溫度升高，乙醯丙酮被排出。隨著乙醯丙酮移除連同其相關延遲功能之消失，金屬乙醯丙酮酸鹽被容許恢復其正常高反應性，並在聚氨酯反應終點提供極高程度的催化。此高反應性隨後在處理循環中係有利的，並提供經改善之物理性質，例如壓縮永久變形。一般而言，金屬乙醯丙酮酸鹽對乙醯丙酮之比率以重量計係為約2：1。
反應性組合物中所存在觸媒之量以含活性氫組分之重量計可為約0.03重量%至約3.0重量%。
在一個實施態樣中，當使用水作為發泡劑時，選擇乙醯丙酮酸鐵(FeAA)作為觸媒。可使用其他觸媒或佐劑(例如，胺)來調整水與聚氨酯之相對反應率。水與異氰酸酯反應，釋放CO2。FeAA與乙醯丙酮同時以延遲方式催化固化反應，此防止過早固化且因此允許化學發泡(及視需要之物理發泡)不受阻礙地繼續。觸媒最終容許聚氨酯發泡體完全固化。金屬乙醯丙酮酸鹽係藉由預溶解於溶劑中以最方便地添加。實例性溶劑(例如二丙二醇或其他含羥基組分)之後將參與反應並變成最終產物之一部分。
可使用各種表面活性劑用於在固化之前穩定聚氨酯發泡體之目的，其包括表面活性劑之混合物。有機聚矽氧表面活性劑尤其有用，例如主要由SiO2(矽酸酯)單元及(CH3)3SiO0.5(三甲基矽氧基)單元組成之共聚物，矽酸酯單元對三甲基矽氧基單元之莫耳比係為約0.8：1至約2.2：1、或更特定而言約1：1至約2.0：1。另一有機聚矽氧表面活性劑穩定劑係部分交聯之矽氧烷-聚氧基伸烷基嵌段共聚物及其混合物，其中該等矽氧烷嵌段及聚氧基伸烷基嵌段係藉由矽至碳、或藉由矽至氧至碳連接體連接。 矽氧烷嵌段包含烴-矽氧烷基團且每連接體中所組合之嵌段具有平均至少二價的矽。聚氧基伸烷基嵌段之至少一部分包含氧基伸烷基且係多價的，即，每該等連接體中所組合之嵌段具有至少二價的碳及/或碳鍵結之氧。任何剩餘聚氧基伸烷基嵌段包含氧基伸烷基且係單價的，即每該等連接體中所組合之嵌段僅具有一價的碳或碳鍵結之氧。額外有機聚矽氧烷-聚氧基伸烷基嵌段共聚物包括彼等闡述於美國專利第2,834,748號、第2,846,458號、第2,868,824號、第2,917,480號及第3,057,901號中者。亦可採用包含上述表面活性劑中至少一者之組合。用作發泡體穩定劑之有機聚矽氧聚合物之量可在寬限值內變化，例如，基於活性氫組分之量約0.5重量%至約10重量%或更多、或更特定而言約1.0重量%至約6.0重量%。
在一個實施態樣中，發泡體可藉由以預定量機械混合反應性組合物(即，異氰酸酯組分、含活性氫組分、泡沫穩定表面活性劑、觸媒、及任一視需要之添加劑)與泡沫形成氣體(froth-forming gas)來產生。在一種進行方式中，首先將反應性組合物之組分混合在一起，接著利用空氣進行機械起泡。作為另一選擇，可在機械起泡過程期間將該等組分依次添加至液相。泡沫之氣相可為空氣，此乃因其便宜且隨時可用。然而，若需要，可使用在環境條件下為氣態且對液相之所有組分實質上為惰性或與其不發生反應之其他氣體。其他氣體包括例如氮氣、二氧化碳、及在環境溫度下正常為氣態之氟碳化物。
惰性氣體係藉由在高剪力設備(例如Hobart混合器或Oakes混合器)中機械擊打液相來併入該液相中。氣體可在壓力下引入或其可藉由如在Hobart混合器中之擊打或攪打動作自上覆大氣引入。機械擊打操作 可在標準壓力下實施，例如約100磅/平方英寸(psi)至約200磅/平方英寸(689千帕(kPa)至1,379千帕)之壓力。可使用易於獲得之混合設備。擊打入液相中之惰性氣體之量係由氣體流量計量設備控制以產生具有期望密度之泡沫。機械擊打係實施於適當時期以獲得所所需之泡沫密度，例如在Oakes混合器內數秒鐘，或在Hobart混合器中3分鐘至30分鐘。由機械擊打操作產生之泡沫實質上係化學穩定的，且係結構上穩定的，但可在環境溫度(例如約10℃至約40℃)下易加工。
起泡後，將反應混合物沉積於第一載體上。為方便起見，此第一載體可稱作「底部載體」，且一般係為能或不能容易地釋放固化發泡體之移動支撐體。第二載體(在本文亦稱為「表面保護層」或「頂部載體」)可視需要置於泡沫之頂部上。可選的頂部載體亦係為能或不能容易地自固化發泡體釋放之移動載體，前提條件係至少一種載體容易地自發泡體釋放。頂部載體可幾乎在發泡之同時施加。在施加頂部載體之前，可以使用(例如)刮刀或其他鋪展裝置將發泡體鋪成所需厚度之層。作為另一選擇，可利用頂部載體之放置來鋪展發泡體並將發泡層調整到所需厚度。在又另一實施態樣中，可在放置頂部載體之後使用塗佈器來調整發泡體之高度。一旦處於所需高度，已發泡之發泡體亦可在物理或化學發泡劑之影響下發泡。
在實踐中，載體可自供應輥放出且最終當與固化聚氨酯發泡體分離時重新捲繞於捲取輥上。頂部載體及底部載體之材料的選擇將取決於多種因素，例如所需支撐度及柔性、自固化發泡體之所需可釋放性程度、成本、美學等等考慮因素。可使用紙、金屬(例如不銹鋼)之薄片材、 或聚合物膜(例如聚對苯二甲酸乙二酯、聚矽氧或諸如此類)。該材料可塗佈有釋放塗層。在一個實施態樣中，載體可塗佈有意欲轉移至固化聚氨酯發泡體之表面的材料，例如可自載體釋放之基材膜。可將纖維網片或其他填料材料設置於載體之表面上，且因此最終併入至固化發泡體中。在另一實施態樣中，發泡體可固化至載體中之一或二者。因此，一個載體可形成最終產物之一部分而非自發泡體分離。作為另一選擇或另外，可使用輸送帶作為底部載體。該等載體可具有平坦表面或紋理化表面。在一具體實施態樣中，發泡體之表面設置有一表皮層。
聚氨酯可與各種其他熱塑性樹脂或熱固性樹脂摻合或組合。可使用熱固性樹脂之摻合物以及熱塑性樹脂與熱固性樹脂之摻合物。一些可能之樹脂包括聚矽氧、聚烯烴(例如，聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物等等)、聚酯、氟化聚合物、聚環氧烷(例如，聚氧化乙烯及聚環氧丙烷)、聚乙烯醇、離子聚合物(例如，用鹼中和之乙烯-甲基丙烯酸共聚物)、乙酸纖維素、聚苯乙烯等等、以及包含上述中至少一者之組合。可使用之熱塑性樹脂之其他實例包括聚縮醛類、聚丙烯酸類、丙烯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚醯胺(例如但不限於耐綸6、耐綸6,6、耐綸6,10、耐綸6,12、耐綸11或耐綸12)、聚醯胺醯亞胺、聚丙烯酸酯、乙烯丙烯橡膠(EPR)、聚芳基碸、聚醚碸、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚碸、聚醚醯亞胺、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯、聚二氟亞乙烯、聚氟乙烯、聚醚酮類(polyetherketones)、聚醚醚酮類、聚醚酮(polyether ketone)、酮類等，或包含上述熱塑性樹脂中之至少一者之組合。
亦可使用包含聚矽氧烷聚合物之聚矽氧發泡體。在一個實施態樣中，聚矽氧發泡體係由於水與聚矽氧烷聚合物前驅物組合物中之氫化物基團反應而產生，其伴隨氫氣之釋放。此反應通常藉由貴金屬來催化，特定而言藉由鉑觸媒來催化。在一個實施態樣中，聚矽氧烷聚合物在25℃下之黏度係為約100泊(poise)至1,000,000泊且具有選自由氫化物、甲基、乙基、丙基、乙烯基、苯基、及三氟丙基組成之群組的鏈取代基。聚矽氧烷聚合物上之末端基團可為氫化物、羥基、乙烯基、乙烯基二有機矽氧基、烷氧基、醯氧基、烯丙基、肟、胺氧基(aminoxy)、異丙烯氧基、環氧基、巰基、或其他已知之反應性末端基團。適宜聚矽氧發泡體亦可藉由使用若干聚矽氧烷聚合物來產生，各聚矽氧烷聚合物具有不同的分子量(例如，雙模態或三模態分子量分佈)，只要組合物之黏度位於上述指定值內即可。亦可能有具有不同官能團或反應性基團之若干種聚矽氧烷基礎聚合物以產生所需發泡體。在一個實施態樣中，聚矽氧烷聚合物包含每莫耳水約0.2莫耳氫化物(Si-H)基團。
視所用聚矽氧烷聚合物之化學性而定，可使用觸媒、通常係鉑或含鉑觸媒來催化發泡及固化反應。觸媒可沉積於惰性載體上，例如矽膠、氧化鋁、或炭黑。在一個實施態樣中，使用選自氯鉑酸、其六水合物形式、其鹼金屬鹽、及其與有機衍生物之錯合物中之非受載觸媒。實例性觸媒係氯鉑酸與乙烯基聚矽氧烷(例如1,3-二乙烯基四甲基二矽氧烷)之反應產物，該等反應產物經處理或另外利用鹼性劑處理以部分或完全移除氯原子；氯鉑酸與醇、醚、及醛之反應產物；及鉑螯合物及二氯化鉑與膦、氧化膦、及與烯烴(例如乙烯、丙烯、及苯乙烯)之錯合物。視聚矽氧烷聚合物之化學性而定，亦可依需要使用其他觸媒(例如二月桂酸二丁基錫) 代替鉑系觸媒。
亦可使用各種鉑觸媒抑制劑來控制發泡及固化反應之動力學，以控制聚矽氧發泡體之孔隙度及密度。該等抑制劑之實例包括聚甲基乙烯基矽氧烷環化化合物及炔醇。該等抑制劑不應以破壞發泡體之方式干擾發泡及固化。
可使用物理或化學發泡劑以產生聚矽氧發泡體，包括上文針對聚氨酯所列舉之物理及化學發泡劑。化學發泡劑之其他實例包括苯甲醇、甲醇、乙醇、異丙醇、丁二醇、及矽醇。在一個實施態樣中，使用發泡方法之組合以獲得具有所需特性之發泡體。舉例而言，物理發泡劑(例如氯氟碳化物)可作為次要發泡劑添加至反應混合物，其中主要發泡模式係由於水與聚矽氧烷上之氫化物取代基之間之反應而釋放之氫。
在聚矽氧發泡體之產生中，前驅物組合物之反應性組分係儲存於二個包裝中，一個含有鉑觸媒且另一個係含有氫化物基團之聚矽氧烷聚合物，此防止過早反應。在另一生產方法中，將聚矽氧烷聚合物連同導電粒子、水、物理發泡劑(若需要)、及其他所需添加劑一起引入至擠出機中。接著將鉑觸媒計量至擠出機中以開始發泡及固化反應。物理發泡劑(例如液體二氧化碳或超臨界二氧化碳)與化學發泡劑(例如水)一道使用可產生具有低得多的密度的發泡體。在又另一方法中，將液體聚矽氧組分計量、混合並分配至諸如模具或連續塗佈線之裝置中。接著在模具中或在連續塗佈線上出現發泡。
除上述發泡墊之調配物中的視需要導熱填料以外，取決於所設想之具體應用的需求，可將其它視需要之填料添加劑添加至反應性組 合物，例如在其製造中添加聚氨酯泡沫混合物。舉例而言，亦可使用非導熱填料(三水合氧化鋁(alumina trihydrate)、氧化矽、滑石、碳酸鈣、黏土等等)、顏料(例如二氧化鈦及氧化鐵)等等、以及包含上述添加劑中至少一者之組合。可使用增強填料，例如編織網片、氧化矽、玻璃粒子、及玻璃微球。
除視需要之填料以外，發泡墊之發泡體組合物中亦可存在已知用於發泡體製造中之其他添加劑。適宜阻燃劑包括(例如)含有鋁、鎂、鋅、硼、鈣、鎳、鈷、錫、鉬、銅、鐵、鈦、或其組合之金屬氫氧化物，例如氫氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鈣、氫氧化鐵等；金屬氧化物，例如氧化銻、三氧化銻、五氧化銻、氧化鐵、氧化鈦、氧化錳、氧化鎂、氧化鋯、氧化鋅、氧化鉬、氧化鈷、氧化鉍、氧化鉻、氧化錫、氧化鎳、氧化銅、氧化鎢等；金屬硼酸鹽，例如硼酸鋅、偏硼酸鋅，偏硼酸鋇等；金屬碳酸鹽，例如碳酸鋅、碳酸鎂、碳酸鈣、碳酸鋇、及諸如此類；蜜胺脲酸鹽、蜜胺磷酸鹽等；炭黑、可膨脹石墨片(例如彼等自GrafTech International有限公司以商品名GRAFGUARD購得者)等；奈米黏土；及溴化化合物。實例性阻燃劑材料係氫氧化鎂、奈米黏土、及溴化化合物。在一個實施態樣中，聚合物發泡體之阻燃性符合關於阻燃性之某些保險業實驗室(Underwriter’s Laboratories,UL)標準。舉例而言，聚合物發泡體根據UL標準94具有V-0之等級。
可存在之再一些其他添加劑包括染料、抗氧化劑、紫外(UV)穩定劑、用於固化聚合物之觸媒、交聯劑等、以及包含上述添加劑中至少一者之組合。
如上所述形成之發泡體之性質(例如，密度、模數、壓縮負荷變形、拉伸強度、撕裂強度等等)可藉由改變反應性組合物之組分來調整。一般而言，發泡體可具有約50公斤/立方公尺至約500公斤/立方公尺、特定而言至少約70公斤/立方公尺、更特定而言約90公斤/立方公尺至約400公斤/立方公尺的密度。發泡體亦可具有約0.1毫米(mm)至約25毫米、特定而言約0.25毫米至約15毫米、更特定而言約0.3毫米至約10毫米之厚度。
發泡體之物理性質係優異的。舉例而言，該等發泡體可具有小於或等於約10%、或更特定而言小於或等於約5%之壓縮永久變形抗性。
為向發泡體提供良好機械性質，發泡體之平均開孔直徑可為約10微米(μm)至約1毫米(mm)、或更特定而言約50微米至約500微米。在其中至少一部分開孔延伸穿過片材之開孔發泡體中，貫穿孔可基於大小與該等開孔區分開。舉例而言，在機械起泡發泡體中，貫穿孔之最小直徑係為開孔最大直徑之至少10倍。在經發泡發泡體、或非微開孔發泡體中，貫穿孔之最小直徑係為開孔最大直徑之至少2倍。
用於填充該等貫穿孔之非發泡導熱組合物可藉由包含液體聚矽氧聚合物、特定而言包含每一分子具有至少二個烯基之聚矽氧烷之一前驅物組合物與具有至少二個矽鍵結氫原子之聚矽氧烷以有效固化該組合物之量、進一步在觸媒之存在下反應形成。適宜反應性聚矽氧組合物係低硬度、二包裝(例如，1：1)液體聚矽氧橡膠(LSR)或液體注射模製(LIM)組合物。由於其低固有黏度的關係，低硬度LSR或LIM組合物之使用可促進添加更高量的填料。
在一個實施態樣中，LSR或LIM系統可提供給適於以體積計約1：1之比率混合之二組分調配物。調配物之「A」部分可包含一或多種具有二個或更多個烯基之聚矽氧烷。適宜烯基可例示為乙烯基、丙烯基、丁烯基、戊烯基、己烯基、及庚烯基、特定而言為乙烯基。該烯基可在分子鏈末端處、在分子鏈上之側鏈位置中、或在二者處鍵結。在具有二個或更多個烯基之聚矽氧烷中之其他矽鍵結有機基團可例示如下：經取代及未經取代之單價烴基團，如烷基，例如是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、及己基；芳基，例如苯基、甲苯基、及二甲苯基；芳烷基，例如苄基及苯乙基；及鹵化烷基，例如3-氯丙基及3,3,3-三氟丙基。實例性取代基係甲基及苯基。
該含烯基之聚矽氧烷可具有直鏈、部分支直鏈、支鏈、或網絡分子結構，或可為來自具有所例示分子結構之聚矽氧烷之二個或更多個選擇之混合物。含烯基之聚矽氧烷係例示如下：經三甲基矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基乙烯基矽氧烷共聚物、經三甲基矽氧基封端之甲基乙烯基矽氧烷-甲基苯基矽氧烷共聚物、經三甲基矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基乙烯基矽氧烷-甲基苯基矽氧烷共聚物、經二甲基乙烯基矽氧基封端之二甲基聚矽氧烷、經二甲基乙烯基矽氧基封端之甲基乙烯基聚矽氧烷、經二甲基乙烯基矽氧基封端之甲基乙烯基苯基矽氧烷、經二甲基乙烯基矽氧基封端之二甲基乙烯基矽氧烷-甲基乙烯基矽氧烷共聚物、經二甲基乙烯基矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基苯基矽氧烷共聚物、經二甲基乙烯基矽氧基封端之二甲基矽氧烷-二苯基矽氧烷共聚物、包含R3SiO1/2及SiO4/2單元之聚矽氧烷、包含RSiO3/2單元之聚矽氧烷、包含R2SiO2/2及RSiO3/2單元之聚矽氧烷、包含R2SiO2/2、RSiO3/2及SiO4/2單元之聚矽氧烷、及前述聚矽氧烷中 二者或更多者之混合物。R代表經取代及未經取代之單價烴基團，如烷基，例如是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、及己基；芳基，例如苯基、甲苯基、及二甲苯基；芳烷基，例如苄基及苯乙基；及鹵化烷基，例如3-氯丙基及3,3,3-三氟丙基，前提條件係每分子中至少2個R基團係為烯基。
LSR或LIM系統之「B」組分可包含一或多種含有每分子至少二個矽鍵結氫原子之聚矽氧烷，且擠出速率小於約500克/分鐘。氫可在分子鏈末端處、在分子鏈上之側鏈位置中、或二者處鍵結。其他矽鍵結基團係由非烯基、經取代及未經取代之單價烴基團例示之有機基團，如烷基，例如是甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、及己基；芳基，例如苯基、甲苯基、及二甲苯基；芳烷基，例如苄基及苯乙基；及鹵化烷基，例如3-氯丙基及3,3,3-三氟丙基。實例性取代基係甲基及苯基。
含氫之聚矽氧烷組分可具有直鏈、部分支直鏈、支鏈、環狀、網絡分子結構，或可為來自具有所例示分子結構之聚矽氧烷之二個或更多個選擇之混合物。含氫之聚矽氧烷係例示如下：經三甲基矽氧基封端之甲基氫聚矽氧烷、經三甲基矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基氫矽氧烷共聚物、經三甲基矽氧基封端之甲基氫矽氧烷-甲基苯基矽氧烷共聚物、經三甲基矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基氫矽氧烷-甲基苯基矽氧烷共聚物、經二甲基氫矽氧基封端之二甲基聚矽氧烷、經二甲基氫矽氧基封端之甲基氫聚矽氧烷、經二甲基氫矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基氫矽氧烷共聚物、經二甲基氫矽氧基封端之二甲基矽氧烷-甲基苯基矽氧烷共聚物、及經二甲基氫矽氧基封端之甲基苯基聚矽氧烷。
含氫之聚矽氧烷組分係以足以固化組合物之量、特定而言 以每含烯基之聚矽氧烷中之烯基約0.5個至約10個矽鍵結氫原子之量添加。
聚矽氧組合物更包含通常作為組分「A」之部分的觸媒(例如鉑)以加速固化。可使用稱為矽氫化反應觸媒之鉑及鉑化合物，例如鉑黑、氧化鋁上鉑粉末、氧化矽上鉑粉末、碳上鉑粉末、氯鉑酸、氯鉑酸鉑-烯烴錯合物之醇溶液、鉑-烯基矽氧烷錯合物及藉由如上所述鉑加成反應觸媒於熱塑性樹脂(例如甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚矽氧、及諸如此類)中之分散液之微粒化獲得之觸媒。亦可使用觸媒之混合物。有效固化本發明組合物之觸媒之量通常係以烯基及氫組分之組合量計自百萬分之0.1至百萬分之1,000(以重量計)的鉑金屬。
反應性聚矽氧烷流體與含烯基之聚矽氧烷及具有至少二個矽鍵結氫原子之聚矽氧烷共固化，因此自身可含有烯基或矽鍵結氫基團。該等化合物可具有與上文關於含烯基之聚矽氧烷及具有至少二個矽鍵結氫原子之聚矽氧烷所述相同之結構，但此外具有小於或等於約1000厘泊(cps)、特定而言小於或等於約750厘泊、更特定而言小於或等於約600厘泊、且最特定而言小於或等於約500厘泊之黏度。在一個實施態樣中，反應性聚矽氧烷流體具有比加成固化反應之固化溫度高之沸點。
聚矽氧發泡體可視需要更包含可固化聚矽氧凝膠調配物。聚矽氧凝膠係輕度交聯之流體或固化不足之彈性體。該等聚矽氧凝膠係獨特的，此乃因其在自極軟且黏至適度軟且觸摸時僅稍微發黏之範圍內。凝膠調配物之使用降低組合物之黏度，由此允許增加之填料負載、增強之填料潤濕、及/或增強之填料分佈中之至少一者，進而產生具有較低電阻及電阻率值及增加之柔軟度的固化組合物。適宜凝膠調配物可為二組分可固 化調配物或單組分調配物。二組分可固化凝膠調配物之組分類似於上文針對LSR系統所闡述者(即，每分子具有至少二個烯基之有機聚矽氧烷及每分子具有至少二個矽鍵結氫原子之有機聚矽氧烷)。主要差異在於以下事實：不存在填料，且矽鍵結氫基團(Si-H)基團對烯基之莫耳比率通常小於1，且可改變以產生具有固化凝膠之鬆度及柔軟度之「交聯不足之」聚合物。特定而言，聚矽氧鍵結之氫原子對烯基之比率係小於或等於約1.0、特定而言小於或等於約0.75、更特定而言小於或等於約0.6、且最特定體而言小於或等於約0.1。適宜二組分聚矽氧凝膠調配物之實例係可自Dow Corning公司購得之SYLGARD® 527凝膠。
視需要，亦可存在黏度為約100厘泊至約1000厘泊之低黏度反應性或非反應性聚矽氧烷流體。此一低黏度聚矽氧烷流體之存在可允許更高數量之填料併入至導熱前驅物組合物中，例如以產生固化聚矽氧組合物，由此降低所獲得之體積電阻率及表面電阻率值。在一個實施態樣中，聚矽氧烷流體保持在固化聚矽氧內且未被抽取或移除。該非反應性聚矽氧流體因此可變為聚合物基質之一部分，此導致在使用期間低脫氣且極少或沒有遷移至表面。在一個實施態樣中，該非反應性聚矽氧烷流體之沸點可足夠高，使得當其分散於聚合物基質中時，其在固化期間或之後不會蒸發，且不會遷移至表面或脫氣。使用低黏度聚矽氧烷流體可避免對有機溶劑及後續移除步驟之需要。該聚矽氧烷流體組分可以足以允許添加、併入、及潤濕較高數量之導熱填料的量存在。
在一個實施態樣中，非發泡導熱組合物(例如，反應性聚矽氧系統)可用於以如下方式填充發泡墊中之該等貫穿孔。在將發泡材料 (例如，如上所述之聚氨酯發泡體)加熱且至少部分固化或部分熔融之後，可使其穿過冷卻區，在所述冷卻區中藉由任何適宜冷卻裝置(例如風扇)冷卻。若適當，移除發泡材料之載體且該發泡材料可捲繞於輥上以供隨後使用。在此一生產模式中，經發泡片材之長度可高達5公尺或以上。用於製造聚氨酯發泡材料之裝置的一個實例闡述於美國專利申請案第11/200,536號中。
該等貫穿孔可在聚氨酯材料形成過程期間在各個時間點形成於該發泡材料中(例如，若材料包含熱塑性材料，則在片材之部分固化之前、期間、及/或之後；及若材料包含熱固性材料，則在片材之部分定型(例如，凝固)之前、期間、及/或之後)。在一些實施態樣中，孔係在片材澆鑄之後、但發泡體實質上固化之前形成。在另一實施態樣中，發泡體係在貫穿孔形成之前至少部分地固化以抑制發泡體流動至該等孔中並閉合該等孔。在另一實施態樣中，該等孔係在固化過程期間形成。舉例而言，孔可在材料之反應程度(例如，固化度；或在熱塑性材料之情形中，凝固度)係小於或等於約90%、或更特定而言係小於或等於約80%、或仍更特定而言係小於或等於約60%時形成。
可將包含用於填充發泡墊材料中之該等貫穿孔之導熱顆粒填料的非發泡導熱組合物，在傳統台面式實驗室塗佈機中施加至聚氨酯墊材料之表面，其中塑膠載體在穿孔發泡基材下面。可將該導熱組合物(例如其中分散有填料之反應性聚矽氧系統)傾倒於經穿孔發泡墊上並手動澆鑄於設定間隙上。接著產物可在烘箱中在高溫下固化適當時間，例如1分鐘至60分鐘。藉由調整間隙，可調整(導熱組合物之)可選塗層在x-y方向上之厚度。此一塗層(例如包含聚矽氧系統)之厚度可在片材總體厚度的0%與50%之間、特定而言1%與30%之間、更特定而言5%至25%之間變化。
在一個實施態樣中，可使用壓敏(PSA)或其他黏合劑以確保可壓縮之導熱片材在寬範圍之應用中(包括各種電子設備)在二個組件之間之適當位置處。在本發明範圍內之應用可包括(以實例方式)電信基地台、消費性電子裝置，例如行動電話、電腦監視器、電漿TV、汽車電子組件及系統、電路板、卡籠、通氣孔、覆蓋物、PCMCIA卡、背板或面板、屏蔽蓋或罩、或電子裝置、或因此殼體或箱之I/O連接器面板。應瞭解本發明之各態樣在需要回彈性、導熱片材材料之各種其他應用中可發現有利用途。
申請專利範圍之可壓縮之導熱片材可具有以下性質中之一或多者：導熱率為至少約0.5W/m-K、特定而言至少約1W/m-K，於室溫下50%壓縮達22小時之後之壓縮永久變形係小於或等於10%；且25%下之壓縮力撓曲係為1磅/平方英寸至20磅/平方英寸、特定而言2磅/平方英寸至15磅/平方英寸。
實施例
可壓縮之導熱片材係以如下方式製備。評估由Rogers(康乃狄克)(World Properties公司之分公司)製造且出售之聚氨酯發泡材料(Poron®92-15020)在各種厚度下之導熱率。試樣具有15磅/立方英尺(240公斤/立方公尺)之密度及0.020英寸(0.50毫米)之厚度。隨後，使用0.5毫米孔沖頭來沖出孔用於製作本發明試樣。使用二種不同之孔圖案。根據第一圖案，孔係在X方向上每0.5毫米且在Y方向上每0.5毫米來提供。經穿 孔發泡基材具有每平方公尺1百萬個孔之穿孔密度。第二圖案具有在X方向及Y方向上隔開的相同大小之孔以獲得每平方公尺0.5百萬個孔之穿孔密度。
使用導熱聚合物摻合物以填充該等貫穿孔並在發泡材料之表面上提供塗層以製作可壓縮之導熱片材。接著根據ASTM D5470測試片材之導熱率，並如下詳細闡述測試壓縮永久變形及壓縮力撓曲(CFD)。
導熱聚合物摻合物包含至少一種聚矽氧(特定而言，凝膠或LSR)及氮化硼填料粒子。用試驗方法測試若干類型之氮化硼填料並測定達既定導熱率所需之負載。採用保留流動穿過發泡材料中之經穿孔貫穿孔之能力所需的聚矽氧聚合物及填料之混合物。下表1中提供調配物中所用氮化硼填料之列表：
由於高表面積，該等填料可迅速增加黏度。所加載混合物之黏度峰值可超過200,000厘泊。可添加有機溶劑(例如甲苯)以降低黏度；一可工作之黏度範圍係為約80,000厘泊。黏度係使用一Brooks計以第6號軸及2轉/每分鐘(rpm)、10轉/每分鐘及25轉/每分鐘設定值量測。針對可工作黏度、聚合物摻合物韌性、及最高導熱率最佳化調配物。填料越龐大，前驅物組合物之黏性越小。
實驗調配物中所用之聚矽氧包括Dow Corning Sylgard®527，具有低黏度之二組分熱固化軟凝膠；Momentive LIM 6010®，二組分熱固化LSR以提供韌性；及Nusil 213®，具有低黏度之二組分熱固化堅固凝膠。
二個調配物實例顯示於以下表2及表3中。調配物1使用甲苯以降低調配物黏度，且甲苯在固化過程期間被驅除。調配物2不含額外溶劑。
試樣製備：首先將各調配物之部分A及部分B使用高速混合器(Flacktec®)單獨混合，直至二者皆均質為止。接著使用該混合器將部分A及部分B混合在一起。
使用LC-100®台面式實驗室塗佈機(其中聚碳酸酯載體在經穿孔發泡基材下面)將混合之含聚矽氧導熱組合物傾倒於經穿孔發泡體上並手動澆鑄於設定間隙上。接著將試樣在XP烘箱中於110℃下固化10分鐘。藉由調整間隙，調整高Tc聚矽氧塗層之厚度。在所有情形中，導熱組合物均能夠流動穿過經穿孔之貫穿孔並形成用於導熱之連續通路。
測試：使用以下二個測試裝置來量測試樣之導熱率，Anter Unitherm®2022(ASTM E1530)測試裝置及Analysis Tech(ASTM D5470)之T.I.M.測試裝置。二個裝置皆以W/m-K呈現導熱率。可壓縮之材料之導熱率在測試期間隨壓力及間隙而變。二種方法均使用三次量測，施加固定壓力或固定間隙至該材料。所測試試樣之導熱率及物理性質列示於下表4 中。此處導熱率之值係基於20磅/平方英寸量測。與具有PET支撐體之Poron®92-15020發泡體相比，該片材材料具有經填充之穿孔、使用導熱聚矽氧組合物，由壓縮力撓曲(CFD)所反映之模數可於Instron®上測定。CFD係藉由計算根據ASTM D1056將試樣壓縮至初始厚度之25%所需之力(以磅/平方英寸(psi)計)而量測。
壓縮永久變形係藉由量測發泡體之標準試片在指定室溫下經歷50%壓縮22小時後未能恢復至其初始厚度之量(以%計)來測定。
第1圖至第3圖顯示SEM影像，其分別展示實例1、實例3及實例2之不同穿孔圖案及塗層厚度。
測試結果顯示於表4中。
基於表4中之結果，本發明之可壓縮之導熱片材顯示使導熱率增加一個數量級，同時維持低壓縮永久變形。所量測之所有試樣具有在壓縮22小時後於室溫下量測之良好壓縮永久變形抗性(小於10%、特定而言小於5%)。視應用而定，可使用具有較厚表面塗層之墊以增加除z-方向以外在x-y方向上之表面傳導率，儘管壓縮永久變形及壓縮力撓曲亦可能稍微增加。
本發明所揭示之範圍包括所述的端點且可組合(例如，「最高約25重量%、或更特定而言約5重量%至約20重量%」之範圍包括「約5重量%至約25重量%」之範圍的端點及所有中間值等)。「組合」包括摻合物、混合物、合金、反應產物等。而且，「包含上述中至少一者之組合」說明該列表包括個別地各要素、以及列表之二或更多個要素之組合、及該列表之一或多個要素與非列表要素之組合。此外，用語「第一」、「第二」等等在本文中並不表示任何順序、數量、或重要性，而是用於將一種要素與另一種要素區分開，且用語「一」在本文中並不表示數量之限制，而是表示存在所引用項目中之至少一者。與數量連用之修飾詞「約」涵蓋所規定值且具有由上下文指定之含義(例如，包括與具體數量之量測相關之誤差度)。本文中所用之後綴「等」意欲包括其所修飾用語之單數及複數二者，由此包括彼用語中之一或多者(例如，該等發泡體包括一或多種發泡體)。在整個說明書中對「一個實施態樣」、「另一實施態樣」、「一實施態樣」等等之提及意指結合該實施態樣所述之一具體要素(例如，特徵、結構、及/或特性)包括在本文所述之至少一個實施態樣中，且視情況存在於其他實施態樣中。另外應理解，所述要素可在各個實施態樣中以任意適宜方式組合。本文所用之用語片材、膜、板、及層可互換使用，且並不意欲表示大小。
所有引用之專利、專利申請案、及其他參考文獻其全部內容均以引用方式併入本文中。然而，若本申請案中之用語與所併入參考文獻中之用語相矛盾或衝突，則來自本申請案之用語優先於來自所併入參考文獻之相衝突用語。
儘管已參照其若干實施態樣對本發明進行闡述，但熟習此項技術者將瞭解，可對該等實施態樣作各種改變且可用其等效物替代其要素而不背離本發明之範圍。另外，為使具體情況或材料適應本發明之教示內容亦可作出許多改變而不背離本發明之基本範圍。因此，並不意欲將本發明限於作為實施本發明所設想之最佳模式揭示之特殊實施態樣，而是本發明將包括所有屬於隨附申請專利範圍之範圍內之實施態樣。

Claims (27)

  1. 一種可壓縮之導熱片材，具有一第一傳熱表面及一第二傳熱表面以及複數個貫穿孔，該等貫穿孔連接該第一傳熱表面與該第二傳熱表面以在該第一傳熱表面與該第二傳熱表面之間提供一熱通路，其中該片材包含一聚合物發泡墊(polymeric foam pad)，該聚合物發泡墊具有被填充一非發泡導熱組合物之複數個貫穿孔，該非發泡導熱組合物包含分散於一聚合物基質(polymeric matrix)中的導熱顆粒填料。
  2. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中該片材具有至少約0.5W/m-K之導熱率。
  3. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中該填料具有約25W/m-K至約1000W/m-K之導熱率。
  4. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中平均厚度係為約0.1毫米至25毫米。
  5. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中壓縮永久變形率(compression set)係為1%至10%。
  6. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中25%下之壓縮力撓曲(compression force deflection)係為1磅/平方英寸(psi)至20磅/平方英寸。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該片材係為0.1毫米至25毫米厚，導熱率係為至少0.5W/m-K，壓縮永久變形率係為1%至5%，且該25%下之壓縮力撓曲係為2磅/平方英寸至12磅/平方英寸。
  8. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該聚合物發泡墊具有6磅/立方英尺(pcf)至25磅/立方英尺之密度。
  9. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該聚合物發泡墊之開孔(cell)具有約20微米至約500微米之平均開孔直徑。
  10. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該發泡墊包含至少60%之聚氨酯，該聚氨酯視需要摻合有選自以下群組之其他聚合物：聚矽氧(silicone)、聚烯烴(polyolefin)、聚酯(polyester)、聚醯胺(polyamide)、氟化聚合物(fluorinated polymer)、聚環氧烷(polyalkylene oxide)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、離子聚合物(ionomer)、乙酸纖維素(cellulose acetate)、聚苯乙烯(polystyrene)、及其組合。
  11. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該等貫穿孔具有0.3毫米至5毫米之平均直徑。
  12. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中該等貫穿孔大致為圓柱形狀且實質上垂直於該第一傳熱表面及該第二傳熱表面之表面。
  13. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該等貫穿孔之密度係為每平方公尺100,000個孔至每平方公尺2百萬個孔。
  14. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該等貫穿孔之密度係為每平方公尺250,000個孔至每平方公尺1,250,000個孔，且其中該等貫穿孔具有0.5毫米至2毫米之平均直徑。
  15. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該非發泡導熱組合物包含一熱固化聚矽氧組合物。
  16. 如請求項15所述之可壓縮之導熱片材，其中該熱固化聚矽氧包含一二組分(two-part)液體聚矽氧橡膠(liquid silicone rubber，LSR)或凝膠(gel)。
  17. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該非發泡導熱組合物係為一製程之產物，該製程包含以一前驅物組合物填充該等貫穿孔，該前驅物組合物在使用一Brooks計以第6號軸及2轉/每分鐘(rpm)設定值量測時具有小於100,000厘泊(cps)之黏度。
  18. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該非發泡導熱組合物包含約20重量%至約80重量%之導熱填料。
  19. 如請求項1至6中任一項所述之可壓縮之導熱片材，其中該顆粒填料係選自由金屬及非金屬氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、石墨、金屬、及其組合所組成之群組。
  20. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中該顆粒填料係為陶瓷。
  21. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中該非發泡導熱組合物包含氮化硼顆粒。
  22. 如請求項1所述之可壓縮之導熱片材，其中該等顆粒具有25W/mK至500W/mK之導熱率。
  23. 一種可壓縮之導熱片材，具有一第一傳熱表面及一第二傳熱表面以及複數個貫穿孔，該等貫穿孔實質上橫交該第一傳熱表面與該第二傳熱表面以在該第一傳熱表面與該第二傳熱表面之間提供一熱通路，其中該片材包含一發泡聚合物墊，該發泡聚合物墊具有被填充一非 發泡導熱組合物之複數個貫穿孔，該非發泡導熱組合物包含約20重量%至80重量%之分散導熱顆粒填料，其中該顆粒填料選自由金屬及非金屬氧化物、氮化物、碳化物、二硼化物粒子、石墨粒子、金屬粒子、及其組合所組成之群組，且具有25W/mK至500W/mK之平均導熱率；其中該顆粒填料分散於一聚合物基質中，該聚合物基質包含二種聚矽氧樹脂之反應產物；以及其中該可壓縮之導熱片材具有至少0.75W/m-K之導熱率。
  24. 一種熱管理總成，包含如請求項1所述之導熱片材，該導熱片材設置並被壓縮於一第一傳熱表面和與該第一傳熱表面相對之一第二傳熱表面之間，以在該第一傳熱表面與該第二傳熱表面之間提供一導熱通路。
  25. 如請求項24所述之總成，其中該第一傳熱表面與該第二傳熱表面中之一者係位於一發熱源上。
  26. 如請求項25所述之總成，其中該發熱源係一電子組件，且該第一傳熱表面與該第二傳熱表面中之另一者係位於一散熱構件上。
  27. 如請求項26所述之總成，其中該散熱構件係為一熱壑(heat sink)或一電路板。
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