一种聚合物基导热复合材料的制备方法

1.本发明涉及一种聚合物基导热复合材料的制备方法。


背景技术：

2.随着航空航天、国防军工、微电子和5g等领域的迅猛发展，电子元器件向着小型化和超高集成度方向迈进，导致单位面积的发热量成指数增长，散热问题日益突出，成为这些领域产业发展的瓶颈。为了保障电子元器件和特高压输电设备在工作环境下的稳定性和可靠性，需要高导热材料来传递和释放聚集的热量，以增加其使用年限。从热管理材料角度考虑，材料需要具备高散热/导热性能、轻质、易加工成型、良好力学特性、绝缘耐腐蚀和性价比高等优良的综合性能。
3.尽管大多数聚合物材料具有良好力学的优点，但绝大多数聚合物本身导热性能差，导热系数通常低于0.2w
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m-1
k-1
，无法满足电子元器件等领域的散热需求。为了解决聚合物材料导热性差的问题，往聚合物材料中添加高导热填料是一种经验证有效的解决策略。然而，大量添加导热填料伴随而来的问题是成本的增加、质量的增加以及材料力学性能的降低，这些问题都会影响电子设备的使用性能。因此，研究开发综合性能优良的聚合物基导热复合材料对推进各相关领域材料的实际应用具有重要意义。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明目的旨在提供一种聚合物基导热复合材料的制备方法，该聚合物基导热复合材料在具有良好导热性能的前提下还具有良好的力学性能。
5.技术方案：本发明所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
6.(1)往溶剂中加入聚甲基丙烯酸甲酯，溶解后，再往其中加入氯化钠和导热填料氮化硼，加热搅拌至粘稠状，烘干蒸发溶剂后得到具有导热骨架的聚合物材料；
7.(2)聚合物材料经去离子水洗涤后去除氯化钠，得到具有导热网络的聚合物材料；
8.(3)洗涤后烘干，往具有导热网络的聚合物材料中灌注环氧树脂，放入平板硫化机中热压，得到所需的聚合物基导热复合材料。
9.其中，步骤(1)中，溶剂为乙酸乙酯。
10.其中，步骤(1)中，氯化钠的加入量为聚甲基丙烯酸甲酯加入量的8～9倍。
11.其中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的数均分子量为5000～10000。聚甲基丙烯酸甲酯起到胶黏剂的作用，为骨架结构。
12.其中，步骤(1)中，导热填料氮化硼的加入量为聚甲基丙烯酸甲酯加入量的0.15～0.75倍。
13.其中，步骤(1)中，加热搅拌的温度为不高于50℃。
14.其中，步骤(1)中，烘干温度为60～80℃，时间为6～8h。
15.其中，步骤(2)中，洗涤时间为10～12h。
16.其中，步骤(3)中，所述环氧树脂的加入量为聚甲基丙烯酸甲酯加入量的2～3倍。
17.其中，步骤(3)中，热压过程的温度为120～130℃，热压时间为10～15min。120～130℃为环氧树脂的固化温度，温度越高，固化时间越快；环氧树脂流动性不强，不热压填充效果不好，热压能够使环氧树脂更好的填充进入导热网络中，环氧树脂有效的浸润在导热骨架内，最大程度弥补气孔，从而增加导热性能。从而热压一方面将环氧树脂填补气孔，一方面热压过程压板时把网络压平整，重塑导热网络。
18.本发明利用盐模板法构筑蜂窝状导热网络，将氮化硼和氯化钠分散在聚甲基丙烯酸甲酯的乙酸乙酯溶液中，聚甲基丙烯酸甲酯一方面可以提高混合溶液的粘度，防止氮化硼沉淀，另一方面充当了粘合剂的作用，将氮化硼彼此连接在一起；由于氯化钠在乙酸乙酯中不溶解，因此在溶剂蒸发的过程中，它在整个体系中占据了一定的空间，同时蒸发时的溶剂蒸汽将氮化硼推到盐颗粒之间的区域，从而形成连续的导热骨架；再利用热压成型的方法减少蜂窝状导热网络中的气孔，从而实现在导热填料低填充量前提下，大幅提高复合材料的导热性能；且因为导热填料填充量低，使得聚合材料的力学性能得到最大程度的保留，因此制得的高导热复合材料同时具有良好的力学性能。
19.有益效果：相比于现有技术，本发明具有如下显著的优点：本发明先利用盐模板法制备氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯导热骨架，之后灌注环氧树脂进行热压，使最终所得的导热复合物具有良好的导热性能，还具备良好的力学性能；本发明通过快速、高效、低耗能的构造蜂窝状导热网络，从而提升复合材料的导热性能，并且使制得的高导热复合材料还具有良好的力学性能。
附图说明
20.图1为实施例5制得的氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯蜂窝状导热网络复合材料的sem图；
21.图2为实施例5制得的氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯蜂窝状导热网络复合材料的压汞测试图。
具体实施方式
22.实施例1
23.本发明聚合物基导热复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入0.15g氮化硼和8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，干燥6小时蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后于70℃下烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，放入120℃平板硫化机中热压15min，得到具有蜂窝状导热网络的复合材料。
24.实施例2
25.本发明聚合物基导热复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入0.3g氮化硼和8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，放入120℃平板硫化机中热压15min，得到具有蜂窝状导热网络的复合材料。
26.实施例3
27.本发明聚合物基导热复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入0.45g氮化硼和8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，放入120℃平板硫化机中热压15min，得到具有蜂窝状导热网络的复合材料。
28.实施例4
29.本发明聚合物基导热复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入0.6g氮化硼和8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，放入120℃平板硫化机中热压15min，得到具有蜂窝状导热网络的复合材料。
30.实施例5
31.本发明聚合物基导热复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入0.75g氮化硼和8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，放入120℃平板硫化机中热压15min，得到具有蜂窝状导热网络的复合材料。
32.通过图1可以观察到明显的蜂窝状多孔结构，说明成功制备了蜂窝状导热骨架。
33.通过图2的压汞测试，说明了制备出的蜂窝状导热骨架的孔径分布情况，即孔径尺寸普遍分布在50000纳米(50微米)以上，方便后续环氧树脂进行灌注。
34.对比例1
35.一种聚合物基复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，放入120℃平板硫化机中热压15min，得到聚合物基复合材料。
36.对比例2
37.一种聚合物基导热复合材料的制备方法，具体为：将1g聚甲基丙烯酸甲酯溶于10ml乙酸乙酯中，再往其中加入0.75g氮化硼和8g氯化钠，加热搅拌至粘稠状后放入60℃烘箱中，蒸发溶剂，得到具有导热骨架的聚合物材料；接着用水冲洗10h，将氯化钠清洗掉，清洗后烘干，往聚合物材料中灌注2g环氧树脂，于120℃烘箱中固化15min，得到复合材料。
38.对实施例1～5和对比例1～2得到的材料进行检测。材料的导热系数通过德国耐驰激光导热系数测试仪467进行测试。材料的力学性能使用济南蓝光xlw智能电子拉力试验机进行测试，测试了拉伸强度、杨氏模量和韧性。相关数据统计如下：
[0039][0040]
本发明通过在聚合物基体内形成连续的导热网络，随着导热填料含量的上升，导热通路增加，热量在复合材料内通过热载荷(声子)沿着导热网络扩散的也就越快，同时由于采用热压成型方法，因此能够在低导热填充量下提高聚合物基复合材料的导热性能，进而还能保持聚合物基复合材料良好的力学性能。

技术特征：
1.一种聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)往溶剂中加入聚甲基丙烯酸甲酯，溶解后，再往其中加入氯化钠和氮化硼，加热搅拌至粘稠状，烘干后得到具有导热骨架的聚合物材料；(2)采用去离子水洗涤聚合物材料，得到具有导热网络的聚合物材料；(3)洗涤后烘干，往具有导热网络的聚合物材料中灌注环氧树脂，放入平板硫化机中热压，得到所需的聚合物基导热复合材料。2.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，溶剂为乙酸乙酯。3.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，氯化钠的加入量为聚甲基丙烯酸甲酯加入量的8～9倍。4.根据权利要求3所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚甲基丙烯酸甲酯的数均分子量为5000～10000。5.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，导热填料氮化硼的加入量为聚甲基丙烯酸甲酯加入量的0.15～0.75倍。6.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，加热搅拌的温度为不高于50℃。7.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，烘干温度为60～80℃，时间为6～8h。8.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，洗涤时间为10～12h。9.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述环氧树脂的加入量为聚甲基丙烯酸甲酯加入量的2～3倍。10.根据权利要求1所述的聚合物基导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，热压过程的温度为120～130℃，热压时间为10～15min。

技术总结
本发明公开了一种聚合物基导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)往溶剂中加入聚甲基丙烯酸甲酯，溶解后，再往其中加入氯化钠和氮化硼，加热搅拌至粘稠状，烘干后得到具有导热骨架的聚合物材料；(2)采用去离子水洗涤聚合物材料，得到具有导热网络的聚合物材料；(3)洗涤后烘干，往具有导热网络的聚合物材料中灌注环氧树脂，放入平板硫化机中热压，得到所需的聚合物基导热复合材料。本发明先利用盐模板法制备氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯导热骨架，之后灌注环氧树脂进行热压，使最终所得的导热复合物具有良好的导热性能，还具备良好的力学性能。力学性能。力学性能。


技术研发人员：晏超 魏中卿 汪洋
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/28