CN106810876A - 一种填料定向排布的复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种填料定向排布的复合材料及其制备方法，属于新材料及其制备技术领域。该方法首先将片层状填料与有机高分子材料均匀混合，再通过挤压方式实现填料在基体中的有序定向排布，进而制备出所述填料定向排布的复合材料。所制备的复合材料是由片层状填料和有机高分子材料基体组成，片层状填料有序定向排布于有机高分子材料基体中，从而充分发挥填料在特定方向上的性能的优势，因此该复合材料具有优异的性能(如特定方向上的导热性能)、良好的弹性和柔韧性，在导热、导电或电磁屏蔽等诸多领域存在应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及新材料及其制备技术领域，具体涉及一种填料定向排布的复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展，有机高分子复合材料得到了越来越广泛的应用。与传统的金属材料相比，有机高分子复合材料及具有高分子基体本身所特有的轻质、柔性、耐腐蚀等特点，同时又可以通过添加填料实现导热、导电等功能。传统的有机高分子复合材料一般是将填料颗粒直接混合在硅橡胶等有机高分子材料中制得的复合材料，通过大量填料的添加形成填料紧密堆积的结构来实现相应功能(如导热性、导电性等)。然而，在这些复合材料中，由于填料颗粒一般是杂乱无章地分布在高分子基体中，而且被高分子基体包裹分离开(图1(a))，因此严重制约了填料性能的发挥。大量导热填料的加入不仅增加了成本和重量，而且会使材料的弹性下降、硬度增加，但性能却很难得到明显提升。
在有些应用场合，仅关注材料在某一特定方向的性能(比如导热界面材料)。因此在有机高分子复合材料制备过程中如果能通过一定工艺步骤使一些各向异性的填料在高分子基体中定向分布，充分发挥填料在特定方向的性能优势，可能是一种提升有机高分子复合材料性能的有效手段。
电子元器件的微型化及多功能化对器件的散热性提出了更高的要求。器件的散热问题已成为迅速发展的电信产业面临的技术“瓶颈”。为了减小界面热阻，人们开发了导热界面材料。将界面导热材料填充于接触面之间，可以去除接触界面孔隙内的空气，在整个接触界面上形成连续的导热通道，提高电子元器件的散热效率。
一般来说，片层状的填料的导热性能具有各向异性的特点。例如石墨烯，其平面内(径向)热导率(～5000W/mK)与垂直平面方向(轴向)热导率(～10W/mK)相差悬殊。对于导热界面材料，人们主要关注其垂直于平面方向(轴向)的导热性能。如果能通过一定的工艺步骤实现此类片层状填料在基体中的沿轴向排布(如图1(b)所示)则可以使此类填料的高导热特性得到更充分发挥。从而达到降低填料添加量，显著提升复合材料导热性能的目的。
发明内容
为了解决现有工艺难以实现填料在基体中定向排布的问题，本发明的目的在于提供一种填料定向排布的复合材料及其制备方法，通过简单的挤压工艺实现填料定向排布于复合材料基体中，其填料特定的排布方式使之具有高导热性能，适用于电子器件散热领域。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种填料定向排布的复合材料的制备方法，该方法首先将片层状填料与有机高分子材料均匀混合，再通过挤压方式实现填料在基体中的有序定向排布，从而充分发挥填料在特定方向上的导热性能的优势，进而制备出所述填料定向排布的复合材料；该方法具体包括如下步骤：
(1)将片层状填料和固化剂加入有机高分子材料中，充分混合后使填料在基体中均匀分散，获得混合物料；具体的加料顺序为：先将固化剂加入有机高分子材料中，混合均匀后再加入片层状填料；该步骤中，可利用高速搅拌机、剪切乳化机、捏合机或双辊开炼机中的一种或几种将所述填料、有机高分子基体及固化剂充分混合，保证填料在基体中均匀分散。
(2)利用双辊开炼机对步骤(1)所得混合物料进行挤压，将其挤压为厚度小于0.5mm的薄片状样品，所得薄片状样品中的片层状填料沿薄片状样品所在平面呈定向排布；
(3)将步骤(2)所得多个薄片状样品进行叠层，然后进一步压成块体样品，再将块体沿所需的特定取向切片，获得层状材料；对块体进行切片时，切片方向可垂直于薄片状样品，但并不限于垂直方向，可根据需要沿不同角度和方向切取，从而实现填料沿所需方向和角度的排布；
(4)将步骤(3)所得层状材料加热加压固化成型，即得到所述填料定向排布的复合材料。
所述片层状填料为鳞片石墨、石墨烯、片状氮化硼、片状碳化硅、片状铝粉和片状银粉中的一种或几种。所述片层状填料的片径范围为0.1-500μm，厚度范围为0.1-100μm。
所述有机高分子材料为甲基乙烯基硅橡胶、乙烯基硅油、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷中的一种或几种具有良好弹性和柔韧性的有机高分子弹性材料。所述固化剂为2,4-二氯过氧化苯甲酰、含氢硅油或2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷等。
上述步骤(1)中，所述片层状填料与有机高分子材料的重量比例为(0.25-9)：1，所述固化剂与有机高分子材料的重量比例为(0.5-2)：100。
经过本发明上述工艺所得的复合材料是由片层状填料和有机高分子材料基体组成，其中：所述片层状填料有序定向排布于有机高分子材料基体中，所述填料在复合材料中所占的重量百分比为20-90％。
该导热界面材料为片状材料，其中的片层状填料的定向排布方向与该导热界面材料所在平面相垂直或成其他角度。该导热界面材料在沿片层状填料的定向排布方向的热导率可达60W/mK，且具有良好的弹性和可压缩性。
本发明具有如下优点：
1、本发明利用石墨烯等片层状材料的平面内高导热特性制备出了导热性能优异的导热界面材料，制备工艺流程简单，所需原料廉价易得，容易通过工艺放大实现工业化量产，成本较相关应用领域的传统产品有显著优势。
2、本发明工艺所制备的复合材料中石墨烯等片层状导热填料均匀的分散于有机高分子材料基体中，通过扫描电子显微镜(SEM)等对其截面微观形貌进行观察可发现较为明显的填料取向排布特征。本发明制备的填料定向排布特点的复合材料导热性能较未经过定向排布处理时有显著提升。该复合材料的热导率可达60W/mK(沿填料的定向排布方向)，且具有良好的弹性和可压缩性。
3、本发明制备的复合热界面材料具有轻质、弹性、柔性和高热导率等特点，能够很好地填充在热界面的空隙，减小界面热阻，提高电子元器件的散热效率。其使用降温效果明显，超过了目前商品化热界面材料的水平，可以广泛应用于大功率LED路灯、电脑、智能手机、网络交换机等电子产品的热源与散热器之间的热量传导，提高这些电子产品的散热性能。
附图说明
图1为片层状填料导热示意图；其中：(a)填料无序排布；(b)片层状填料在基体中沿轴向定向排布。
图2为本发明填料定向排布的导热界面材料的制备过程示意图。
图3为本发明石墨烯复合热界面材料的光学照片。
图4为本发明石墨烯复合热界面材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
本发明制备了填料定向排布于有机高分子材料基体中形成的复合材料，其制备过程如图2所示，通过图中所示的简单的工艺过程即可获得。
材料的导热率是衡量材料导热性能的主要指标，因此本发明对所制得的导热界面材料的导热系数进行了测定。检测所用仪器为美国ANALYSIS TECH公司的TIM Tester 1400材料热阻导热系数测试仪(此仪器目前在国内电子产品生产企业及科研单位被广泛使用)，检测执行ASTMD 5470标准。同时，此测试方法能直接检测出所测样品的热阻值，对于热界面材料的导热性能衡量尤为适用。
实施例1：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入30g石墨烯粉体混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到石墨烯沿轴向取向排布(即垂直于片材所在平面的方向)的石墨烯硅胶复合导热材料。
本实施例制得的石墨烯复合热界面材料的宏观形貌如图3中的光学照片所示，该材料具有很好的柔性和弹性，能充分填充热界面间隙，显著提升电子器件散热效果。
本实施例制得的石墨烯复合热界面材料的微观形貌如图4中的扫描电镜照片所示。从照片中可以看出，石墨烯均匀的分布于硅橡胶基体中。石墨烯微片间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该片状复合材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得该复合材料在垂直于其所在平面方向的导热率为6.7W/mK。由于其他实施例与本例样品的形貌、测试方法相近，后面不再赘述。
实施例2：
先将100g乙烯基硅油与1g固化剂(含氢硅油)在捏合机中进行混合，然后加入30g石墨烯粉体混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为6.3W/mK。
实施例3：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入200g片状氮化硼粉末混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为4.8W/mK。
实施例4：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和400g片状碳化硅粉末混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为7.5W/mK。
实施例5：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和200g片状氮化硼粉末混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为12.1W/mK。
实施例6：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和300g片状铝粉混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为13.5W/mK。
实施例7：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和100g鳞片石墨粉末混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为15.2W/mK。
实施例8：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入15g石墨烯粉体和150g鳞片石墨粉末混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为25.0W/mK。
实施例9：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和150g鳞片石墨粉末混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为40.0W/mK。
实施例10：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和600g片状银粉混合2h。将混合物取出，利用双辊开炼机等对混合物反复挤压10次，双辊间隙0.5mm；将混合物挤压为厚度小于0.5mm的薄片。将挤压成薄片状的混合物叠层后进一步压成块体。将块体沿垂直方向切片；对切取的片材加热加压固化成型，即可得到填料沿轴向取向排布的复合导热材料。
本实施例制得的导热界面材料的宏观形貌及微观形貌如实施例1，即填料均匀的分布于高分子材料基体中。填料的各片层间紧密连接，呈现出较为明显的沿轴向取向排布的特征(即垂直于该导热界面材料所在平面的方向)。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为60.0W/mK。
对比例1：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入30g石墨烯粉体混合2h。将混合物取出，加热加压固化成型，得到与实施例1相同填料配比的对比例样品。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为2.0W/mK。
对比例2：
先将100g甲基乙烯基硅橡胶与1g固化剂(2,4-二氯过氧化苯甲酰)在捏合机中进行混合，然后加入20g石墨烯粉体和400g片状碳化硅粉末混合2h。将混合物取出，加热加压固化成型，得到与实施例4相同填料配比的对比例样品。
利用说明中所述仪器及方法，测得材料的导热率为3.9W/mK。以上提供的实施例仅仅是解释说明的方式，不应认为是对本发明的范围限制，任何根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变的方法，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：该方法首先将片层状填料与有机高分子材料均匀混合，再通过挤压方式实现填料在基体中的有序定向排布，进而制备出所述填料定向排布的复合材料。
2.根据权利要求1所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)将片层状填料和固化剂加入有机高分子材料中，充分混合后使填料在基体中均匀分散，获得混合物料；
(2)利用双辊开炼机对步骤(1)所得混合物料进行挤压，将其挤压为厚度小于0.5mm的薄片状样品，所得薄片状样品中的片层状填料沿薄片状样品所在平面呈定向排布；
(3)将步骤(2)所得多个薄片状样品进行叠层，然后进一步压成块体样品，再将块体沿所需的特定取向切片，获得层状材料；
(4)将步骤(3)所得层状材料加热加压固化成型，即得到所述填料定向排布的复合材料。
3.根据权利要求2所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：所述片层状填料为鳞片石墨、石墨烯、片状氮化硼、片状碳化硅、片状铝粉和片状银粉中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：所述片层状填料的片径范围为0.1-500μm，厚度范围为0.1-100μm。
5.根据权利要求2所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机高分子材料为甲基乙烯基硅橡胶、乙烯基硅油、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述固化剂为2,4-二氯过氧化苯甲酰、含氢硅油或2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷。
7.根据权利要求2所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述片层状填料与有机高分子材料的重量比例为(0.25-9)：1，所述固化剂与有机高分子材料的重量比例为(0.5-2)：100。
8.根据权利要求2所述的填料定向排布的复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的加料顺序为：先将固化剂加入有机高分子材料中，混合均匀后再加入片层状填料；步骤(1)中，利用高速搅拌机、剪切乳化机、捏合机或双辊开炼机中的一种或几种将所述填料、有机高分子基体及固化剂充分混合，保证填料在基体中均匀分散。
9.一种利用权利要求1所述方法制备的填料定向排布的复合材料，其特征在于：该复合材料是由片层状填料和有机高分子材料基体组成，其中：所述片层状填料有序定向排布于有机高分子材料基体中，填料各片层间紧密连接，所述填料在复合材料中所占的重量百分比为20-90％。
10.根据权利要求9所述的填料定向排布的复合材料，其特征在于：该复合材料在片层状填料定向排布方向上的热导率能达到60W/mK。
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