由含碳物種官能化以提高熱導(dǎo)率的聚合物基質(zhì)的制作方法
【專利摘要】本申請公開了導(dǎo)熱性復(fù)合材料，其包含由含碳物種官能化的聚合物基質(zhì)，所述含碳物種與該聚合物基質(zhì)共價連接。本申請還公開了下述方法，所述方法通常包括將含碳物種官能化并將官能化的含碳物種并入聚合物中，使得含碳物種通過偶聯(lián)劑共價地結(jié)合于聚合物基質(zhì)。
【專利說明】由含碳物種官能化以提高熱導(dǎo)率的聚合物基質(zhì)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年5月9日提交的印度專利申請第1827/CHE/2012號的優(yōu)先權(quán)。 通過援引將以上申請的全部內(nèi)容并入本說明書中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本公開內(nèi)容涉及由含碳物種官能化以提高熱導(dǎo)率的聚合物基質(zhì)。

【背景技術(shù)】
[0004] 本部分提供與本公開內(nèi)容有關(guān)的背景信息，其未必是現(xiàn)有技術(shù)。
[0005] 電子元器件，如半導(dǎo)體、晶體管等，通常具有電子元器件最佳運行的預(yù)先設(shè)計的溫 度。理想的是，預(yù)先設(shè)計的溫度接近周圍空氣的溫度。但電子元器件的運行產(chǎn)生熱量，所 述熱量若不除去，則將導(dǎo)致電子元器件在明顯高于其正常或所期望的運行溫度的溫度下運 行。這種過高的溫度可能不利地影響電子元器件的運行特性、壽命和/或可靠性以及相關(guān) 設(shè)備的運行。
[0006] 為避免或至少降低發(fā)熱所導(dǎo)致的不良運行特性，應(yīng)當(dāng)例如通過將熱量從運行中的 電子元器件傳導(dǎo)至散熱片來除去該熱量。散熱片然后可以通過常規(guī)的對流和/或輻射技術(shù) 來冷卻。在傳導(dǎo)過程中，熱量可以通過電子元器件與散熱片之間的直接表面接觸和/或通 過電子元器件與散熱片表面隔著中間介質(zhì)或熱界面材料的接觸，從運行中的電子元器件傳 遞至散熱片。熱界面材料可用于填充傳熱表面之間的間隙，從而與使間隙填充作為較差熱 導(dǎo)體的空氣的情況相比，提高傳熱效率。在一些設(shè)備中，也可以在電子元器件與散熱片之間 設(shè)置電絕緣體，在許多情況中這就是熱界面材料本身。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本部分提供本公開內(nèi)容的大致概括，并非是其完整范圍或其所有特征的全面公 開。
[0008] 根據(jù)各個方面，公開了導(dǎo)熱性復(fù)合材料的示例性實施方式，所述導(dǎo)熱性復(fù)合材料 包含由含碳物種官能化的聚合物基質(zhì)，所述含碳物種與聚合物基質(zhì)共價連接。還公開了下 述方法，所述方法通常包括使含碳物種官能化并將官能化的含碳物種并入聚合物中，使得 含碳物種通過偶聯(lián)劑共價地結(jié)合于聚合物基質(zhì)。
[0009] 通過此處所提供的描述，其他適用領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見。本
【發(fā)明內(nèi)容】
中的描述和 具體實例僅出于說明的目的，并不意在限制本公開內(nèi)容的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 此處所描述的附圖僅出于說明所選的實施方式的目的，而非是所有可能的實施， 這些附圖并不意在限制本公開內(nèi)容的范圍。
[0011] 圖1描繪了基質(zhì)官能化的一個實例。
[0012] 圖2是官能化的石墨烯的FTIR(傅立葉變換紅外）光譜，其中在1384CHT1和 lOlScnT1處的峰表明在石墨烯納米片的表面上存在硅酮鏈。
[0013] 圖3是官能化的石墨烯的EDS(能量色散）譜，其顯示了官能化的石墨烯中存在 硅、氧和碳。
[0014] 圖4是官能化的碳納米管（CNT)聚合物復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片。
[0015] 圖5是在聚合物基質(zhì)中包含未官能化的多壁納米管的納米復(fù)合材料的掃描電子 顯微鏡照片。
[0016] 圖6是根據(jù)本技術(shù)的示例性實施方式的在聚合物基質(zhì)中包含乙烯基官能化的多 壁納米管的納米復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片。
[0017] 圖7是根據(jù)本技術(shù)的示例性實施方式的在聚合物基質(zhì)中具有不同重量百分比的 乙烯基官能化的多壁納米管的示例性納米復(fù)合材料以及在聚合物基質(zhì)中包含未官能化的 多壁納米管的納米復(fù)合材料的熱分解百分比對溫度（攝氏度）的示例性線形圖。

【具體實施方式】
[0018] 現(xiàn)在將參照附圖更加全面地描述示例性實施方式。
[0019] 本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，對于熱界面材料（例如，間隙填料等）和其他材料（例如， 導(dǎo)熱和/或?qū)щ娦运芰系龋?，通過提高基質(zhì)的熱導(dǎo)率而不必在基質(zhì)中進一步并入或提高導(dǎo) 熱性填料的加載量，可以實現(xiàn)更高的熱導(dǎo)率。因此，本發(fā)明人開發(fā)并在此公開了由含碳物種 官能化的聚合物基質(zhì)的示例性實施方式，所述聚合物基質(zhì)可以與例如熱界面材料、導(dǎo)熱和/ 或?qū)щ娦运芰系纫黄鹗褂谩Ｔ诖诉€公開了提高聚合物基質(zhì)的熱導(dǎo)率的示例性方法，所述方 法將含碳物種官能化并將官能化的含碳物種并入所述聚合物中，使得含碳物種通過偶聯(lián)劑 共價地結(jié)合于聚合物基質(zhì)。此官能化產(chǎn)生了聚合物基質(zhì)和所獲得的由該增強的聚合物基質(zhì) 形成的導(dǎo)熱性復(fù)合材料的提高的熱導(dǎo)率。因此，本公開內(nèi)容的各方面也涉及通過將含碳物 種官能化至基質(zhì)的聚合物中而實現(xiàn)的基質(zhì)增強。官能化的熱增強基質(zhì)可以用于例如熱界面 材料、導(dǎo)熱性塑料、導(dǎo)熱和/或?qū)щ娦运芰系取?br> [0020] 在示例性實施方式中，導(dǎo)熱性復(fù)合材料的電導(dǎo)率基于官能化水平而可調(diào)。所以，取 決于官能化的變化，導(dǎo)電性復(fù)合材料由此可以是電絕緣性或?qū)щ娦詮?fù)合材料。
[0021] 在示例性實施方式中，一種或多種含碳物種與聚合物基質(zhì)共價地連接（例如，接 合、結(jié)合等）或者共價地連接于聚合物基質(zhì)，其在保持電絕緣性的同時提高了熱導(dǎo)率，使得 所獲得的復(fù)合材料是電介質(zhì)或電絕緣體。在此類實施方式中，聚二甲基硅氧烷（PDMS)鏈通 過作為基質(zhì)的一部分的偶聯(lián)劑（例如，MPTMS(3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）等） 共價地連接于石墨烯納米片、石墨烯或石墨烯氧化物。聚合物基質(zhì)中官能化的石墨烯的百 分比可以為約0.001V% (體積百分比）?約5V%。官能化分子可以是PDMS和/或PDMS 衍生物。作為實例，由石墨烯對硅酮基質(zhì)的官能化（參見例如圖1等）可以將硅酮基質(zhì)的 熱導(dǎo)率提高約20%?約40%。官能化的基質(zhì)可以具有電絕緣性。
[0022] 圖1描繪了基質(zhì)官能化以及表現(xiàn)固化過程中與硅酮反應(yīng)的乙烯基的一個實例。圖 2是顯示透射率百分比對波數(shù)的官能化的石墨烯的FTIR(傅立葉變換紅外）光譜。圖2中 1384CHT1和1015CHT1處的峰表明石墨烯納米片表面上存在硅酮鏈。圖3是顯示計數(shù)對能量 (千電子伏（keV))的官能化的石墨烯的EDS(能量色散）譜。圖3中的峰顯示官能化的石 墨烯中硅、氧和碳的存在。圖4是官能化的碳納米管（CNT)聚合物復(fù)合材料的掃描電子顯 微鏡照片。
[0023] 在示例性實施方式中，石墨烯納米片通過石墨烯納米片邊緣的羥基與3-甲基丙 烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS)之間經(jīng)由O-Si基團的共價結(jié)合而在石墨烯納米片表 面上引入雙鍵的反應(yīng)而官能化。參見下圖，其表示的是石墨烯邊緣的-OH基團與MPTMS之 間的反應(yīng)。
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種材料，所述材料包含由含碳物種官能化的聚合物基質(zhì)，所述含碳物種與所述聚 合物基質(zhì)共價連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的材料，其中，所述含碳物種通過作為所述聚合物基質(zhì)的一部分 的偶聯(lián)劑共價地結(jié)合于所述聚合物基質(zhì)。
3. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中： 所述含碳物種具有小于100納米的至少一個維度；和/或 所述官能化分子是所述聚合物基質(zhì)的一部分。
4. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中，所述聚合物基質(zhì)包含兩部分型硅酮基 質(zhì)，所述兩部分型硅酮基質(zhì)包含可充當(dāng)所述偶聯(lián)劑的第一部分和可充當(dāng)官能化分子的第二 部分。
5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中，所述聚合物基質(zhì)包含3-甲基丙烯酰氧 基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS)和聚二甲基硅氧烷（PDMS)。
6. 如權(quán)利要求5所述的材料，其中： 所述含碳物種通過MPTMS共價地結(jié)合于所述聚合物基質(zhì)；和/或 所述PDMS可充當(dāng)官能化分子。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的材料，其中，PDMS鏈共價地連接到所述含碳物種。
8. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中： 所述官能化分子包含聚二甲基硅氧烷（PDMS)或其衍生物；和/或 聚二甲基硅氧烷（PDMS)鏈共價地連接到所述含碳物種。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中，所述含碳物種包含石墨烯、石墨烯納米 片、剝離型石墨烯納米片、石墨烯氧化物、碳納米管、多壁碳納米管和/或單壁碳納米管。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中： 由官能化的含碳物種對所述聚合物基質(zhì)的所述官能化提高了所述聚合物基質(zhì)的熱導(dǎo) 率，同時保持了電絕緣性，使得官能化的聚合物基質(zhì)具有導(dǎo)熱性和介電性；和/或 由官能化的含碳物種對所述聚合物基質(zhì)的所述官能化提高了熱導(dǎo)率，而不必增加所述 聚合物基質(zhì)中導(dǎo)熱性填料的加載量。
11. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中，由3重量％ (重量百分比）的PDMS官 能化的石墨烯來官能化所述聚合物基質(zhì)，由此所述PDMS鏈錨定于所述石墨烯的表面上而 保持了官能化的聚合物基質(zhì)的介電性和電絕緣性。
12. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中： 所述含碳物種包含剝離型石墨烯納米片；并且 所述聚合物基質(zhì)包含由所述剝離型石墨烯納米片官能化并且包含至少一種導(dǎo)熱性填 料的娃麗基質(zhì)。
13. 如權(quán)利要求12所述的材料，其中，官能化的硅酮基質(zhì)包含2重量％ (重量百分比） 剝離型石墨烯納米片和47重量％ (重量百分比）氮化硼。
14. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中： 所述材料在所述聚合物基質(zhì)中包含約〇. 001體積百分比（體積％ )?約5體積百分比 的官能化石墨?。缓?或 所述聚合物基質(zhì)的所述官能化將所述聚合物基質(zhì)的熱導(dǎo)率提高約20%?約40% ;和/ 或 所述材料具有4瓦/米?開爾文以上的熱導(dǎo)率；和/或 所述材料在官能化的聚合物基質(zhì)中還包含至少一種導(dǎo)熱性填料，從而提高熱導(dǎo)率。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的材料，其中，電導(dǎo)率基于官能化水平而選擇性可 調(diào)，使得所述材料是電絕緣的或?qū)щ姷摹?br> 16. -種熱界面材料，所述熱界面材料包含前述權(quán)利要求中任一項所述的材料。
17. -種導(dǎo)熱性復(fù)合材料，所述導(dǎo)熱性復(fù)合材料包含權(quán)利要求1?15中任一項所述的 材料。
18. -種適型性熱界面材料，所述適型性熱界面材料包含權(quán)利要求1?15中任一項所 述的材料，由此使所述適型性熱界面材料適合用于填充至少兩個表面之間的間隙，從而在 所述至少兩個表面之間傳熱。
19. 一種提高聚合物基質(zhì)的熱導(dǎo)率的方法，所述方法包括使含碳物種官能化，并將官能 化的含碳物種并入所述聚合物基質(zhì)中，使得所述含碳物種通過偶聯(lián)劑共價地結(jié)合于所述聚 合物基質(zhì)。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片；并且 所述聚合物基質(zhì)包含兩部分型硅酮，所述兩部分型硅酮包含可充當(dāng)所述偶聯(lián)劑的第一 部分和可充當(dāng)官能化分子的第二部分。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片；并且 所述方法包括： 通過所述石墨烯納米片邊緣的羥基與所述偶聯(lián)劑之間經(jīng)由共價結(jié)合而在所述石墨烯 納米片表面上引入雙鍵的反應(yīng)來官能化所述石墨烯納米片；和 使所述石墨烯納米片表面上的所述雙鍵反應(yīng)。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片；并且 所述方法包括： 通過所述石墨烯納米片邊緣的羥基與所述偶聯(lián)劑之間經(jīng)由O-Si基團的共價結(jié)合而在 所述石墨烯納米片表面上引入雙鍵的反應(yīng)來官能化所述石墨烯納米片；和 使所述石墨烯納米片表面上的所述雙鍵與官能化分子上的Si-H基團反應(yīng)。
23. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法包括將官能化的石墨烯片并 入所述聚合物基質(zhì)中，并固化所述聚合物基質(zhì)與官能化的石墨烯片。
24. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片； 所述聚合物基質(zhì)包含3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS)和聚二甲基硅氧 烷（TOMS); 所述方法包括： 通過所述石墨烯納米片邊緣的羥基與所述MPTMS之間經(jīng)由O-Si基團的共價結(jié)合而在 所述石墨烯納米片表面上引入雙鍵的反應(yīng)來官能化所述石墨烯納米片；和 使所述石墨烯納米片表面上的所述雙鍵與PDMS鏈上的Si-H基團在足夠的溫度下在鉬 類催化劑存在下通過硅氫化反應(yīng)進行反應(yīng)，從而使PDMS鏈纏繞在所述石墨烯片周圍。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述方法包括將PDMS官能化的石墨烯片并入所 述聚合物基質(zhì)中，并固化所述聚合物基質(zhì)和PDMS官能化的石墨烯片，以獲得凝膠。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中，在所述固化過程中，所述PDMS官能化的石墨烯 片因所述石墨烯表面上的所述雙鍵與所述聚合物基質(zhì)中的所述聚二甲基硅氧烷（PDMS)的 Si-H基團之間的反應(yīng)而成為所述硅氧烷網(wǎng)絡(luò)的一部分。
27. 如權(quán)利要求25或26所述的方法，其中： 所述硅氫化反應(yīng)在約150°C的溫度發(fā)生；和/或 所述固化在約150°C的溫度發(fā)生。
28. 如權(quán)利要求21、22、24、25、26或27中的任一項所述的方法，其中，所述反應(yīng)在室 溫?200°C的溫度發(fā)生。
29. 如權(quán)利要求23、25、26或27中的任一項所述的方法，其中，所述固化包括在室溫使 用紫外線照射。
【文檔編號】C08K3/04GK104284940SQ201380023943
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月9日
【發(fā)明者】S·R·喬杜里, P·P·蘇達(dá)爾沙那, 斯里尼瓦桑·杜賴斯瓦米 申請人:萊爾德技術(shù)股份有限公司