本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，尤其涉及一種高效絕緣多元導(dǎo)熱硅脂的研制方法。
背景技術(shù)：
：我們知道，導(dǎo)熱界面材料廣泛應(yīng)用于電子、電器領(lǐng)域中需要導(dǎo)熱的零部件。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)要求，對(duì)導(dǎo)熱硅脂的要求越來越高。具體體現(xiàn)在不但能為電子元器件提高安全可靠的散熱功效又能起到絕緣、減震、潤(rùn)滑等作用。常見的有機(jī)硅導(dǎo)熱界面材料有導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅膠片，以及導(dǎo)熱彈性體。導(dǎo)熱硅膠片使用簡(jiǎn)易，但熱阻偏大，不適合用于散熱要求高的電子元器；導(dǎo)熱硅膠主要用于解決小面積元件散熱問題，可以簡(jiǎn)化裝配的過程，有效固定于芯片等表面；導(dǎo)熱彈性體，是應(yīng)用廣泛的導(dǎo)熱界面材料，對(duì)于元器件的適用面積幾乎沒有限制，能夠非常方便地按尺寸修整；導(dǎo)熱硅脂可以填充在配件于散熱器之間排去中間的空氣，充分潤(rùn)澤接觸。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種高效絕緣多元導(dǎo)熱硅脂的研制方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種高效絕緣多元導(dǎo)熱硅脂的研制方法，其基體材質(zhì)為硅油，其中比較經(jīng)典的案例是甲基硅油，其特征在于，具體包括以下內(nèi)容：S1、填料的復(fù)配(1)采用不同種類不同規(guī)格的填料填充到二甲基硅油與烷氧基封端硅油中混合進(jìn)行十字正交實(shí)驗(yàn),得到一系列導(dǎo)熱硅脂樣品；(2)記錄其填充量，檢測(cè)制品的界面厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻；(3)另外選取樣品的導(dǎo)熱系數(shù)較高、熱阻較低的填料類別進(jìn)行不同粒徑的分布搭配，并測(cè)試其界面厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻；(4)選取做粒徑分布搭配；S2、偶聯(lián)劑的選擇與復(fù)配，本發(fā)明采用的四種偶聯(lián)劑通式為:(Y-R)4-nSiXn，其中NH2-C3H6Si(OC2H5)，CH2-OCH-CH2-C3H6Si-(OCH3)3，CH2＝CCH3OO(CH2)3Si(OCH3)3，CH2＝C-HSi(OC2H4OCH3)3；(1)用上述四種偶聯(lián)劑分別加入到90％的乙醇中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％的溶液放置3Omin；(2)按配方要求加入事先混合好的填料中進(jìn)行高速分散；(3)設(shè)置料溫60℃并保溫3Omin后升溫至120℃高速攪拌，烘干，過濾得到改性的填料；(4)將已處理好過的填料(體積比0.62)加入二甲基硅油和端輕基硅油的混合基體中(混合粘度350cps)制成導(dǎo)熱硅脂樣品；(5)并測(cè)試導(dǎo)熱硅脂樣品的粘度、導(dǎo)熱率、熱阻、滲油性、儲(chǔ)存期等參數(shù)。優(yōu)選地，四種偶聯(lián)劑分別帶有氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯酸基、乙烯基、烷氧基等官能團(tuán)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1、采用不同硅油的混合，對(duì)導(dǎo)熱硅脂制品的潤(rùn)濕性大大改善，優(yōu)于市場(chǎng)上單獨(dú)硅油生產(chǎn)的散熱膏。更有利于降低導(dǎo)熱硅脂的接觸電阻。已經(jīng)接近道康寧的水平。2、填料的復(fù)合搭配對(duì)導(dǎo)熱硅脂制品的導(dǎo)熱系數(shù)有著明顯的改善。不同搭配的填料對(duì)制品粘度、平均接觸熱阻均不同。3、偶聯(lián)劑處理后的填料，可降低體系的粘度，降低產(chǎn)品熱阻。對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)沒有明顯的影響。具體實(shí)施方式下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。一、實(shí)驗(yàn)與探討1.1基體材質(zhì)我們知道導(dǎo)熱硅脂的基體是硅油。國(guó)內(nèi)不少研究者采用單一種類的硅油制得性能較為理想的硅脂制品，其中比較經(jīng)典的案例是甲基硅油。市場(chǎng)上常見的硅油通式為:XR2SiO[Me]SiO]n-[MeR'Si0]mSiR2X(式中，R＝烷基、芳基。R'＝烷基、芳基、鏈烯基、氫基、碳官能團(tuán)及聚醚鏈段等；X＝烷基、芳基、鏈烯基、氫基、氯基、輕基、等，n,m＝0,1,2,3....)其中MesSiO[MezSiO]n-SiMes]ViMezSiO[Mez_Si0]n-SiMezVi>PhMezSiO[MezSiO]n-SiMezPh，HoMezSiO[MezSiO]n-SiMezOH，MesSiO[Mez_Si0]n-[MeC]zHseSiO]m-SiMes等為導(dǎo)熱硅脂典型的案例。我們用佳迪新材料有限公司自行合成的硅油進(jìn)行不同粘度的復(fù)配，得到所需粘度的硅油混合體，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(表①)，得出結(jié)論(表②)。采用不同有機(jī)基團(tuán)如(烷氧基、乙酞氧基、碳官能團(tuán)基及聚醚鏈段-H，-Ph，-off等)改性的硅油可以改善硅油的耐熱性、潤(rùn)濕能力以及表面張力。同種硅油分子量的不同，粘度也隨著改變。我們知道，任意兩種粘度的硅油(非反應(yīng)性)均可以混合，混合后的硅油物理化學(xué)性質(zhì)影響不大。硅油的粘度調(diào)配大致可以用以下公式計(jì)算:Algη1+Blgη2＝(A+B)lgη(η1、η2為調(diào)配前兩種硅油的粘度；A,B分別為調(diào)配前兩種硅油的質(zhì)量；η為調(diào)配后混合硅油的粘度)。1.2實(shí)驗(yàn)小結(jié)a、導(dǎo)熱硅脂制品保質(zhì)期、滲油性、填料填充量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻等測(cè)試結(jié)果(表②)表明:不同硅油混合后作導(dǎo)熱硅脂的基體，對(duì)導(dǎo)熱硅脂制品保質(zhì)期、滲油性等參數(shù)有所改善。這可能是不同硅油的混合，可以使體系中，基體與基體之間，填料與基體之間更好地形成不同程度的氫鍵，可以更均勻地增強(qiáng)基體對(duì)填料的潤(rùn)濕，提高填料的填充率，熱阻降低。從而減少了高低溫下不穩(wěn)定的有機(jī)硅油或低分子的含量，達(dá)到導(dǎo)熱硅脂制品穩(wěn)定的目的?？梢姡w對(duì)改善導(dǎo)熱硅脂的整體性能重要性。b、從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，二甲基硅油與烷氧基封端的硅油的混合，對(duì)提高填料提高填充率，降低制品熱阻效果最為理想?？赡苁且?yàn)椋檠趸募尤敫玫嘏c填料表面作用形成親油基團(tuán)，形成“油包水”，從而提高填充率，降低熱阻。附表①不同硅油調(diào)合后用于制造導(dǎo)熱硅脂配方表序號(hào)硅油調(diào)合類型混合硅油用量混合硅油粘度球形氧化鋁用量氧化鋁粒徑D501①+④100g350cps900g5um2①+②100g350cps900g5um3①+③100g350cps900g5um4④+③100g350cps900g5um5①+⑤100g350cps900g5um①代表二甲基硅油；②代表烷氧基封端硅油；③代表乙烯基硅油；④代表羥基封端的硅油；⑤代表甲基苯基硅油附表②含不同硅油的導(dǎo)熱硅脂制品的性能測(cè)試配方序號(hào)導(dǎo)熱率K(w/m.k)熱阻(cm2K/W)填充性耐滲油性潤(rùn)濕性保質(zhì)期(月)12.730.15易填充不滲油良好1222.830.12極易填充不滲油良好1232.690.18可填充不滲油良好1242.760.13較易填充不滲油良好1252.700.16可填充不滲油良好122.1.2填料的復(fù)配據(jù)不完全數(shù)據(jù)顯示，單個(gè)電子元器件的工作溫度升高8-100C，可靠性降低不低于45％；由于過熱引起的CPU失效，占CPU失效總數(shù)比例的45％。可見，快速有效的“退燒”，對(duì)電子元件的重要性。我們知道，導(dǎo)熱分穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指是指導(dǎo)入與導(dǎo)出物體導(dǎo)出物體的熱流量不相等，物體內(nèi)各點(diǎn)溫度和熱含量隨時(shí)間的變化而變化的導(dǎo)熱過程。根據(jù)傅里葉方程式:∵Q＝KA}T/dR＝ACT/Q∴K＝d/R其中，Q是熱量-w，K是導(dǎo)熱率-W/m.k，A是接觸面積-m2，d是熱量傳遞的厚度-m，DT是溫差-k，R是熱阻-cm2K/W。從K＝d/R可見，由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)是硅脂樣品，記錄其填充量，檢測(cè)制品材料本身的特性。那么，熱阻R與厚度d成正比。也就是說，厚度越厚，熱阻越大。但是實(shí)際情況很多材料的熱阻值R與厚度d并非成完全的正比關(guān)系。比如導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱硅膠等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料，出現(xiàn)非線性狀態(tài)。也就是說，厚度越大，熱阻一定增大，但不一定是成正比例關(guān)系。更可能是復(fù)雜的曲線圖像。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量。材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，而且跟材料的純度，化學(xué)成分等因素密切相關(guān)。大顆粒填料的存在會(huì)對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)造成不同程度的危害。有的造成界面厚度增加，從而提高界面熱阻；有的因顆粒過大會(huì)造成導(dǎo)熱硅脂不能充滿界面層，而引起空氣使界面導(dǎo)熱性能迅速退化，給系統(tǒng)散熱帶來不便。所以對(duì)每種粉體，即使平均粒徑很小的粉體多要嚴(yán)格的大顆粒篩選處理。粉體，按照大中小三種粒徑進(jìn)行復(fù)配(10:1-1.5:0.05-0.1)其中大于1Oum為大，大1-1Oum為中，小于1um為小。復(fù)合材料中，體積填充率大于50％的情況下，其材料導(dǎo)熱率主要是由粉體填料組分決定的，粉體多元化復(fù)配可以提高粉體填料與基體的填充量，從而提高系統(tǒng)致密性。提高導(dǎo)熱系數(shù)，降低接觸熱阻。我們采用不同種類不同規(guī)格的填料填充到二甲基硅油與烷氧基封端硅油中混合進(jìn)行十字正交實(shí)驗(yàn)。得到一系列導(dǎo)熱硅脂樣品，記錄其填充量，檢測(cè)制品的界面厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。另外，我們選取樣品的導(dǎo)熱系數(shù)較高、熱阻較低的填料類別進(jìn)行不同粒徑的分布搭配，并測(cè)試其界面厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻(附表③與附表④)不難發(fā)現(xiàn)氧化鋁的填充量超過其他填料，制品熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他類型的填料，且其各項(xiàng)指標(biāo)較好。選取做粒徑分布搭配。附表③不同粒徑的Al2O3填料分布互配表序號(hào)粒徑D50＝40um粒徑D50＝20um粒徑D50＝5um粒徑D50＝1um1100％00020100％00360％30％9％1％450％45％4％1％590％9％1％0附表④不同粒徑大小的Al2O3互配的導(dǎo)熱硅脂制品的綜合指標(biāo)2.1.3小結(jié)a、從附表③與附表④數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)填料種類、填料與基體的填充比例、填料的分散、填料粒徑及填料的粒徑大小分布等諸多因素均會(huì)影響導(dǎo)熱硅脂制品的導(dǎo)熱率及熱阻。原因是導(dǎo)熱硅脂的熱傳導(dǎo)主要依靠導(dǎo)熱填料之間相互接觸而形成導(dǎo)熱通路，聲子通過導(dǎo)熱通路而傳導(dǎo)熱量。b、采用單一填料時(shí)，導(dǎo)熱硅脂制品的導(dǎo)熱系數(shù)，不見得高，但是熱阻偏高。這是因?yàn)榱Ｗ又g存在著諸多相同大小的空隙，而“縫隙”之間填充的是導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于導(dǎo)熱填料的硅油基體，這樣，相當(dāng)于導(dǎo)熱通路增長(zhǎng)，聲子傳播路程增長(zhǎng)，傳播效率減低，熱阻增高，導(dǎo)熱硅脂制品的導(dǎo)熱效率減低。c、粒徑較大(D50＝40um)的A12O3單獨(dú)使用雖然可以制得粘度較低的導(dǎo)熱硅脂，但其導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻結(jié)果還不太理想。這樣看來，為了達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，填料的互配是很關(guān)鍵的。d、實(shí)驗(yàn)證明大小粒徑的填料配比為“大”比“中”等于90比9時(shí)外加1％超細(xì)填料時(shí)，可以獲取更小的熱阻、粘度適合、導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱硅脂。原因可能是填料粒徑大小的互配使填料內(nèi)部形成了良好的導(dǎo)熱通路，減短了聲子的傳遞時(shí)間導(dǎo)致導(dǎo)熱性能提高。e、從附表③與附表④數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)填料與硅油的體積比為0.62(質(zhì)量比接近1比13)時(shí)導(dǎo)熱硅脂效果最佳。3.1填料的處理3.1.1偶聯(lián)劑的選擇與復(fù)配我們知道偶聯(lián)劑品種繁多，常應(yīng)用于有機(jī)硅體系的偶聯(lián)劑通式為:(Y-R)4-nSiXn，其中NH2-C3H6Si(OC2H5)，CH2-OCH-CH2-C3H6Si-(OCH3)3，CH2＝CCH3OO(CH2)3Si(OCH3)3，CH2＝C-HSi(OC2H4OCH3)3等較為常見，它們分別帶有氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯酸基、乙烯基、烷氧基等官能團(tuán)。填料經(jīng)這些偶聯(lián)劑處理后，其表面親水性基團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H有機(jī)性基團(tuán)，從而減少填料顆粒集結(jié)引起的填充困難、填充量低、制品熱阻偏高等問題。所以要求將偶聯(lián)劑加入事先混合好的填料中進(jìn)行處理。當(dāng)然，不同的硅烷偶聯(lián)劑處理的效果也大不相同，原因是基團(tuán)不同疏水段結(jié)構(gòu)與硅油基體接近程度也有區(qū)別。我們知道偶聯(lián)劑起偶聯(lián)作用的是微量的單分子層，它們的實(shí)際最佳用量主要從實(shí)驗(yàn)中確定。一般來說，偶聯(lián)劑的實(shí)際用量應(yīng)高于理論計(jì)算值的量。偶聯(lián)劑的用量理論計(jì)算值為:W-Wg×A1/A2其中，W是偶聯(lián)劑的理論用量-g，Wg是粉體的質(zhì)量-g，A1是預(yù)處理掉的比表面積-m2/g，A是偶聯(lián)劑的最小涂覆比表面積-m2/g。硅烷偶聯(lián)劑最小包覆面積以硅烷偶聯(lián)劑的品種不同而異。部分硅烷偶聯(lián)劑的最小包覆面積參考數(shù)據(jù)見附表⑤。當(dāng)不知道無機(jī)粉體的比表面積數(shù)據(jù)或硅烷偶聯(lián)劑的最小包覆面積時(shí)，可將硅烷偶聯(lián)劑用量選定為無機(jī)粉體質(zhì)量的0.10％^-1.5％。填料處理方法:用上述四種偶聯(lián)劑分別加入到95％的乙醇中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％的溶液放置3Omin后，按配方要求加入事先混合好的填料中進(jìn)行高速分散。設(shè)置料溫60℃并保溫3Omin后升溫至120℃高速攪拌，烘干，過濾得到改性的填料。然后將已處理好過的填料(體積比0.62)加入二甲基硅油和端輕基硅油的混合基體中(混合粘度350cps)制成導(dǎo)熱硅脂樣品，并測(cè)試其粘度、導(dǎo)熱率、熱阻、滲油性、儲(chǔ)存期等參數(shù)(附表⑥)。附表⑤部分硅烷偶聯(lián)劑的最小包覆面積參考數(shù)據(jù)附表⑥不同偶聯(lián)劑處理填料對(duì)導(dǎo)熱硅脂制品性能的影響序號(hào)偶聯(lián)劑粘度(cps)滲油性導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.熱阻(cm2K/W)儲(chǔ)存期1無處理353200滲油4.000.129個(gè)月2KH550352920輕微滲油4.030.1012個(gè)月3KH560350010輕微滲油4.080.0912個(gè)月4KH570349760輕微滲油4.130.0912個(gè)月5KH172349210輕微滲油4.100.0912個(gè)月3.1.2小結(jié)附表⑥可以看出，不同偶聯(lián)劑對(duì)填料進(jìn)行表面處理，得到的導(dǎo)熱硅脂制品的耐滲油性得到明顯的改善，且對(duì)制品導(dǎo)熱系數(shù)的變化并不明顯。熱阻有所改善，也就是說偶聯(lián)劑對(duì)硅脂制品的導(dǎo)熱系數(shù)沒有直接促進(jìn)作用。二、優(yōu)化配方設(shè)計(jì)附表⑦配方優(yōu)化及導(dǎo)熱性能指標(biāo)三、總結(jié)本文對(duì)導(dǎo)熱硅脂生產(chǎn)工藝、配方進(jìn)行考察，分別從硅油的混合、填料及粒徑分布、填料偶聯(lián)劑處理等因素著手，考察導(dǎo)熱脂的性能指標(biāo)。得到以下結(jié)論:(1)佳迪新材料公司采用不同硅油的混合，對(duì)導(dǎo)熱硅脂制品的潤(rùn)濕性大大改善，優(yōu)于市場(chǎng)上單獨(dú)硅油生產(chǎn)的散熱膏。更有利于降低導(dǎo)熱硅脂的接觸電阻。已經(jīng)接近道康寧的水平。(2)填料的復(fù)合搭配對(duì)導(dǎo)熱硅脂制品的導(dǎo)熱系數(shù)有著明顯的改善。不同搭配的填料對(duì)制品粘度、平均接觸熱阻均不同。(3)偶聯(lián)劑處理后的填料，可降低體系的粘度，降低產(chǎn)品熱阻。對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)沒有明顯的影響。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3