專利名稱：導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機功能復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及ー種導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在電子電器領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備功率不斷的提高，安裝空間不斷縮小，造成其熱量聚集，發(fā)熱嚴(yán)重。熱量的聚集會導(dǎo)致設(shè)備功率降低、可靠性下降、使用壽命縮短以及其它性能方面的問題。即在“大功率，小空間”成為趨勢的情況下，散熱已經(jīng)成為電子設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵。解決散熱的方法通常是在電子設(shè)備表面安裝金屬散熱器，通過熱傳導(dǎo)方式將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量快速轉(zhuǎn)移到金屬散熱器。然而，電子設(shè)備和金屬散熱器表面不平整，存在凹陷，當(dāng)二者接觸時不可避免存在空隙。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為O. 023ff/m · K，因此，空隙的存在嚴(yán)重影響了金屬散熱器的散熱能力。為避免空隙對熱傳導(dǎo)的影響，提高金屬散熱器的散熱效率，導(dǎo)熱界面材料被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和金屬散熱器之間，快速吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量并傳遞給金屬散熱器。導(dǎo)熱界面材料包括導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱相變材料以及導(dǎo)熱墊片。導(dǎo)熱硅脂成本低、填隙好、但其電氣絕緣性能差、受熱流淌易污染電路板引起短路，且長時間反復(fù)受熱會變干而增加熱阻。導(dǎo)熱膠粘結(jié)性佳、不流淌，但施膠エ藝復(fù)雜，且需固化，導(dǎo)熱系數(shù)不高，通常在I. 8ff/m ·Κ以下。導(dǎo)熱相變材料導(dǎo)熱性能優(yōu)異，填隙效果好，使用方便，但導(dǎo)熱相變材料價格昂貴，應(yīng)用范圍不廣。導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性良好、電氣絕緣性能佳，使用方便，因此在電子、通訊、LED、IXD、汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。導(dǎo)熱墊片是用熱固性樹脂與導(dǎo)熱填料復(fù)合制備。導(dǎo)熱填料通常為氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅、碳化硅等無機絕緣填料，銅、鋁、銀、錫等金屬導(dǎo)電填料以及炭黑、石墨、碳纖維、石墨烯、碳納米管等無機導(dǎo)電填料。為獲得優(yōu)良的電氣絕緣性能，導(dǎo)熱墊片通常采用無機絕緣導(dǎo)熱填料。其中，氧化鋅、氧化鎂以及氧化鋁由于價格適中，應(yīng)用廣泛，但其導(dǎo)熱性能一般，限制了導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性能的提高。氮化硼具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(6(T200W/m · K)，但與熱固性樹脂基體的相容性差，導(dǎo)致其添加量低，且導(dǎo)熱墊片的力學(xué)性能，如撕裂強度非常低，且價格昂貴。氮化鋁也具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(7(T320 W/m*K)，但在空氣中易潮解，可靠性下降，且價格昂貴，因此應(yīng)用受限。氮化硅、碳化硅導(dǎo)熱性能佳，但和熱固性樹脂基體的相容性差，添加量低，由其制得的導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱性一般，且撕裂強度低、價格貴。CN101787178A公開ー種導(dǎo)熱電絕緣復(fù)合材料，但其得到的材料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為大于O. 5瓦/米·攝氏度，表面電阻為大于IO12歐姆/平方厘米，導(dǎo)熱系數(shù)較低，未能滿足實際應(yīng)用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，該導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物具有高導(dǎo)熱性和高絕緣性的特點。另外，對于由橡膠類熱固性樹脂組成的導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其還能具有高的撕裂強度。本發(fā)明的另ー目的在于提供所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的制備方法。本發(fā)明的另一目的在于提供所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的應(yīng)用。所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物由于具有高導(dǎo)熱性和高絕緣性的特點，制得的導(dǎo)熱墊片綜合性能更均衡，應(yīng)用于電子設(shè)備和散熱器之間，可以增強熱傳導(dǎo)效率、降低界面熱阻。本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)
一種導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，包括如下按重量百分?jǐn)?shù)計算的組份
5 %wt 30 wt%熱固性樹脂；5 wt% 20 wt%碳素材料；和50 wt% 90 wt%無機絕緣導(dǎo)熱填料；其中所使用的碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)在300 ff/m-K以上，且其形狀為纖維狀。
熱固性樹脂，可以是橡膠類的熱固性樹脂，還可以是非橡膠類的熱固性樹脂。作為ー種優(yōu)選方案，所述橡膠類的熱固性樹脂優(yōu)選為天然橡膠、合成橡膠、硅樹月旨、軟質(zhì)聚氨酯中的任意ー種或兩種以上的共混物。作為ー種優(yōu)選方案，所述非橡膠類的熱固性樹脂優(yōu)選為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硬質(zhì)聚氨酯、聚酰亞胺樹脂、聚酷、聚酰胺、丙烯酸樹脂、氰酸酯、雙馬來酰亞胺三嗪樹脂或苯并噁嗪樹脂中的中的任意ー種或兩種以上的共混物。碳素材料的主要作用是改善熱固性組合物的導(dǎo)熱效果和撕裂強度，需要保持在有效量的范圍才能實現(xiàn)上述功能；同時碳素材料具有導(dǎo)電性能，其含量過高會損害熱固性組合物的絕緣性。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，將碳素材料的添加量控制在熱固性組合物5wt9T20wt%的范圍內(nèi)，可以改善熱固性組合物的導(dǎo)熱效果和撕裂強度以及使熱固性組合物維持良好的絕緣性倉^:。熱固性樹脂的添加量也需要控制在合適的范圍內(nèi)，當(dāng)熱固性樹脂的添加量小于5wt%，熱固性組合物的成形性較差，且對于橡膠類熱固性組合物組成的產(chǎn)品來說，撕裂強度較低；當(dāng)熱固性樹脂的添加量大于30wt%，熱固性組合物的導(dǎo)熱效果有限。類似地，無機絕緣導(dǎo)熱填料的用量也需要控制在合適的范圍內(nèi)，當(dāng)無機絕緣導(dǎo)熱填料的添加量小于50wt%，熱固性組合物的導(dǎo)熱效果較差；當(dāng)無機絕緣導(dǎo)熱填料的添加量大于90wt%，熱固性組合物的成形性能較差，且對于橡膠類熱固性組合物組成的產(chǎn)品來說，撕裂強度也較差。碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，其導(dǎo)熱性能越好，因此可在較低的添加量上，實現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提升，并且在一定程度上減少其對產(chǎn)品絕緣性能帶來的負面影響。作為ー種優(yōu)選方案，所述碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)選在400 ff/m · K以上。作為ー種更優(yōu)選方案，所述碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)更優(yōu)選在500 ff/m · K以上。作為ー種優(yōu)選方案，所述碳素材料優(yōu)選為炭黑、石墨、碳纖維、石墨烯、碳納米管中的任意ー種或兩種以上的混合物。作為ー種優(yōu)選方案，所述碳素材料的長徑比優(yōu)選為O. 2^500 ;當(dāng)碳素材料的長徑比大于500時，碳素材料易使復(fù)合材料的電阻率出現(xiàn)非線性減小，甚至出現(xiàn)“滲濾”現(xiàn)象，電絕緣性下降；當(dāng)碳素材料的長徑比低于O. 2時，碳素材料對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能
改善有限。作為ー種更優(yōu)選方案，所述碳素材料的長徑比優(yōu)選為O. 5^100 ；作為ー種更優(yōu)選方案，所述碳素材料的長徑比優(yōu)選為2 70。作為ー種優(yōu)選方案，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料優(yōu)選為氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅或碳化硅中ー種或兩種以上的混合物。作為ー種最優(yōu)選方案，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料最優(yōu)選為氧化鋁。所述的氧化鋁可以是無定型氧化鋁、片狀氧化鋁、圓形氧化鋁或球狀氧化鋁。作為ー種優(yōu)選方案，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料的平均粒徑(D5tl)優(yōu)選為O. OflOO微米。無機絕緣導(dǎo)熱填料粒徑低于0.01微米時，填料易在樹脂基體中團聚，不易均勻分散，影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能；無機絕緣導(dǎo)熱填料粒徑大于100微米時，填料在樹脂基體中易造成空隙，影響導(dǎo)熱性能，同時填料粒徑過大，易造成復(fù)合材料制品表面粗糙。作為ー種更優(yōu)選方案，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料的平均粒徑(D5tl)更優(yōu)選為2 90微米。
作為ー種更優(yōu)選方案，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料的平均粒徑(D5tl)更優(yōu)選為3 80微米。本發(fā)明所述的導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其導(dǎo)熱系數(shù)為3 10W/m · K，體積電阻率等于或大于IO12 ohm · cm ；
當(dāng)所述的導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物是以橡膠類的熱固性樹脂組成時，其除了滿足上述的導(dǎo)熱性能和電絕緣性能外，還滿足撕裂強度等于或大于1.0 N/mm。為了增加該熱固性組合物的機械強度和電氣強度，還可以在熱固性組合物的混煉后或固化成型之前，加入增強材料。一種由所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的制品。所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的制備方法為按比例將熱固性樹脂、碳素材料和無機絕緣導(dǎo)熱填料進行混煉得到。所述混煉可以采用本領(lǐng)域常用的混煉設(shè)備進行，作為ー種優(yōu)選方案，所述混煉設(shè)備優(yōu)選為雙滾筒混合機、三滾筒混合機、行星式攪拌機、真空加壓式密閉混合機(密煉機)、開放式捏合機(開煉機)。所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物具有高導(dǎo)熱性和高絕緣性的特點，可以應(yīng)用于制備導(dǎo)熱墊片。當(dāng)需要制備成導(dǎo)熱墊片時，可以將混煉好的熱固性組合物通過成型設(shè)備進行固化成型得到。所述的成型設(shè)備可以是本領(lǐng)域常用的固化成型設(shè)備，作為ー種優(yōu)選方案，所述成型設(shè)備優(yōu)選為絲網(wǎng)印刷機搭配連續(xù)式烘箱、涂布機搭配連續(xù)式烘箱、螺桿式擠出機搭配連續(xù)式烘箱、壓延機搭配連續(xù)式烘箱、熱壓成型機、模框靜置成型設(shè)備。作為ー種優(yōu)選方案，所述導(dǎo)熱墊片的制備方法更優(yōu)選為將混煉完成后得到的導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物與玻璃纖維(glass cloth)、聚酰亞胺(PI)薄膜、聚萘ニ酸こニ醇酯(PEN)薄膜、聚對苯ニ甲酸こニ醇(PET)薄膜復(fù)合后，再固化成型為導(dǎo)熱墊片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果
本發(fā)明通過對熱固性組合物的配方進行大量篩選和配伍，使得到的熱固性組合物具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性以及更高的柔軟度(更低的硬度)的特點，所述熱固性組合物的導(dǎo)熱系數(shù)為3 10W/m · K，體積電阻率等于或大于IO12 ohm · cm，對于由橡膠類的熱固性樹脂制備的熱固性組合物，還具有高撕裂強度的特點，其撕裂強度等于或大于1.0 N/mm；
本發(fā)明所述的熱固性組合物可以制備成導(dǎo)熱墊片，在電子設(shè)備和散熱器領(lǐng)域，有廣泛的應(yīng)用前景。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例進ー步詳細說明本發(fā)明。除非特別說明，本發(fā)明實施例述及的試劑均為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)使用的試劑，均可從市場上直接購買獲得。實施例中TSE3063(A)和TSE3062 (B)為液體有機硅樹脂，購自Momentive公司；R-A201為購自Teijin Kabushiki-gaisha公司的碳纖維,其長徑比為6. 25,平均長度為50微米，平均直徑為8微米，導(dǎo)熱系數(shù)550 ff/m ·Κ ;膨脹石墨的長徑比為O. 72，平均粒徑D5tl為36微米，導(dǎo)熱系數(shù)為200 300 ff/m · K ；CB-A70和CB-PlO為購自Showa Denko K. K.公司的氧化鋁(CB-A70的平均粒徑為75微米，CB-PlO的平均粒徑為7微米)；實施例中，所用的氧 化鎂及氧化鋅的平均粒徑D5tl為70微米。按照表I中各實施例和比較例中所使用的原料的配比(wt%)，使用真空密閉式捏合機依各自比例混煉均勻。然后將上述混煉均勻的物料，定量放入熱壓成型機中，在150°C，IOmin硫化條件下，固化成型為I. Omm的墊片。表I中例出了不同熱固性組合物的導(dǎo)熱系數(shù)值、撕裂強度值、硬度值以及體積電阻率值。所有測試結(jié)果均在固化成型的墊片(I. Omm厚)上進行測量。導(dǎo)熱系數(shù)值根據(jù)ASTM D5470方法，使用瑞領(lǐng)科技股份有限公司LW9091IR散熱模組熱阻量測裝置進行測試，試樣尺寸為IinchX Iinch(長X寬)。撕裂強度值根據(jù)ASTM D624方法，使用Instron 5569電子萬能材料試驗機進行測試，測試樣為“T”型試片。硬度值根據(jù)ASTM D624方法，使用邵氏數(shù)顯硬度計進行測試。體積電阻率根據(jù)ASTM D257進行體積電阻率試驗，試驗直徑為50mm。測試前將試樣在23°C和50%相対濕度下處理40小時。實施例廣4和對比例廣3 表I
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其特征在于，包括如下按重量百分?jǐn)?shù)計算的組份 5 %wt 30 wt%熱固性樹脂；5 wt% 20 wt%碳素材料；和50 wt% 90 wt%無機絕緣導(dǎo)熱填料；其中所使用的碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)在300 ff/m · K以上，且其形狀為纖維狀。
2.如權(quán)利要求I所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其特征在于，所述熱固性樹脂為聚氨酷、天然橡膠、合成橡膠、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酯、硅樹脂、聚酰胺、丙烯酸樹月旨、氰酸酯、雙馬來酰亞胺三嗪樹脂或苯并噁嗪樹脂中的任意ー種或兩種以上的共混物。
3.如權(quán)利要求I所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其特征在于，所述碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)在400 ff/m · K以上。
4.如權(quán)利要求I所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其特征在于，所述碳素材料的長徑比為O.2 500。
5.如權(quán)利要求I所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其特征在于，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料為氧化鋅、氧化鎂、氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅或碳化硅中ー種或兩種以上的混合物。
6.如權(quán)利要求I所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物，其特征在于，所述無機絕緣導(dǎo)熱填料的平均粒徑為O. 0Γ100微米。
7.—種權(quán)利要求f 6任意一項權(quán)利要求所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的制品。
8.—種權(quán)利要求廣6中任意一項權(quán)利要求所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的制備方法，其特征在于，包括如下步驟按比例將熱固性樹脂、碳素材料和無機絕緣導(dǎo)熱填料進行混煉得至IJ。
9.一種權(quán)利要求I飛所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物在制備導(dǎo)熱墊片中的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述導(dǎo)熱墊片的制備方法為將混煉完成后得到的導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物與玻璃纖維、聚酰亞胺薄膜、聚萘ニ酸こニ醇酯薄膜或聚對苯ニ甲酸こニ醇薄膜復(fù)合后，再固化成型為導(dǎo)熱墊片。
全文摘要
本發(fā)明公開一種導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物及其制備方法和應(yīng)用。所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物由如下按重量百分?jǐn)?shù)計算的組份組成5%wt～30wt%熱固性樹脂；5wt%～20wt%碳素材料；和50wt%～90wt%無機絕緣導(dǎo)熱填料，其中所使用的碳素材料的導(dǎo)熱系數(shù)在300W/m·K以上，且所使用的碳素材料為纖維狀的碳素材料。所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物的制備方法為按比例將熱固性樹脂、碳素材料和無機絕緣導(dǎo)熱填料進行混煉得到。所述熱固性組合物具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性以及更高的柔軟度(更低的硬度)的特點，對于由橡膠類的熱固性樹脂制備的熱固性組合物，還具有高撕裂強度的特點；所述導(dǎo)熱絕緣熱固性組合物可以制備成導(dǎo)熱墊片，在電子設(shè)備和散熱器領(lǐng)域，有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號C08L77/00GK102675857SQ20121019028
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者李 杰, 楊值文 申請人:佛山市南海區(qū)研益機電有限公司