多種碳材料摻雜高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠粘劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種有機(jī)硅膠粘劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)導(dǎo)熱材料提出了更新、更高的要求。高效率熱傳 輸技術(shù)是航天器熱控制的重要手段。隨著航天器內(nèi)部元器件及整星功耗的增加，原有的熱 傳輸技術(shù)需要進(jìn)行能力提升或開發(fā)新的高效率熱傳輸技術(shù);新型有效載荷的發(fā)展和應(yīng)用要 求熱傳輸技術(shù)提高適應(yīng)能力，拓寬適用范圍。高導(dǎo)熱率硅橡膠材料，可以替代以銅、鋁為基 礎(chǔ)的熱傳輸產(chǎn)品，以滿足有效載荷內(nèi)部高集成度元器件對(duì)高熱流密度散熱的需求。并且，隨 著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元件向薄、輕、小、多功能化方向變化，元件組裝密度越來越高， 發(fā)熱元件的散熱己成為一個(gè)突出問題。因而，高導(dǎo)熱率硅膠的研究具有重要意義。
[0003]加成型機(jī)硅膠粘劑，其具有優(yōu)良的耐高、低溫性、粘接性能、電絕緣性，防潮性，化 學(xué)穩(wěn)定性以及無小分子放出、耐臭氧、耐紫外線、防火、無毒等特點(diǎn)，具有廣泛的用途。同大 多數(shù)聚合物一樣，其導(dǎo)熱性能差，一般的本體硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)只有〇.20W/(m·K)。碳材料 普遍具有高導(dǎo)熱率的優(yōu)點(diǎn)，改性后與有機(jī)硅膠的相容性較好，是優(yōu)良的導(dǎo)熱填料。
[0004] 現(xiàn)有的加成型有機(jī)硅膠粘劑導(dǎo)熱系數(shù)低且不穩(wěn)定，加工性能差，生產(chǎn)成本高，有待 進(jìn)一步的改進(jìn)、完善，以拓寬其運(yùn)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的有機(jī)硅膠粘劑導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，提供多種碳材料摻雜高 導(dǎo)熱有機(jī)硅膠粘劑及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明多種碳材料摻雜高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠粘劑按重量份數(shù)包括150~250份硅橡膠、 50~150份硅油、30~50份碳粉、15~20份短切碳纖維、6~16份碳納米管、60~90份表面活 性劑、8~11份硅烷類偶聯(lián)劑、2~4份炔醇類抑制劑和50~80份有機(jī)溶劑。
[0007] 所述硅橡膠為甲基乙烯基硅橡膠，其中乙烯基含量為0.01 %~3%。
[0008] 所述硅油為乙烯基硅油、含氫硅油中的一種或兩種按任意比組成的混合物，乙烯 基硅油中乙烯基含量為0.01 %~3 %，含氫硅油中含氫量為0.05 %~1.8 %。
[0009] 所述碳粉的尺寸為1~20μπι。
[0010] 所述短切碳纖維的尺寸為3~10mm。
[0011 ]所述表面活性劑為二甲基甲酰胺。
[0012] 所述硅烷類偶聯(lián)劑為KH550、KH560、KH570中的一種或幾種按任意比組成的混合 物。
[0013]所述炔醇類抑制劑為乙炔醇、丙炔醇、苯乙炔、乙炔基環(huán)已醇中的一種或幾種按任 意比組成的混合物。
[0014]所述有機(jī)溶劑為正己烷或石油醚。
[0015]上述多種碳材料摻雜高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠粘劑的制備方法，其包括如下步驟：
[0016] 一、按重量份數(shù)稱取150~250份硅橡膠、50~150份硅油、30~50份碳粉、15~20份 短切碳纖維、6~16份碳納米管、60~90份表面活性劑、8~11份硅烷類偶聯(lián)劑、2~4份炔醇 類抑制劑和50~80份有機(jī)溶劑；
[0017]二、將碳納米管化學(xué)接枝到短切碳纖維:首先用濃硝酸:濃硫酸按體積比為(0.3~ 3): 1組成的混酸溶液對(duì)碳納米管和短切碳纖維進(jìn)行酸處理4~16h;將酸處理后的碳納米管 及短切碳纖維酰氯化處理24~72h;再將酰氯化的碳納米管進(jìn)行胺功能化處理48~72h;在 60~80°C條件下，將胺功能化的碳納米管和酰氯化的短切碳纖維在表面活性劑作用下反應(yīng) 24~72h，得到碳納米管接枝短切碳纖維導(dǎo)熱填料；
[0018] 三、導(dǎo)熱填料的表面處理:將表面活性劑加入到去離子水中，表面活性劑與水的質(zhì) 量比為(0.1~3): 100,得到200mL含有表面活性劑的水溶液;然后在攪拌條件下加入碳粉和 步驟二所得碳納米管接枝短切碳纖維導(dǎo)熱填料，攪拌0.5~2小時(shí)后再超聲處理30~60分 鐘，得到導(dǎo)熱填料的懸浮液，再經(jīng)過濾、干燥得到表面活性劑處理的導(dǎo)熱填料；
[0019] 四、將硅橡膠、硅油通過開煉機(jī)混煉均勻后，再經(jīng)三輥研磨機(jī)加入步驟三制得的導(dǎo) 熱填料，混煉均勻，然后混入硅烷偶聯(lián)劑、炔醇類抑制劑及有機(jī)溶劑，即得高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠 粘劑。
[0020] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0021] 本發(fā)明制備的有機(jī)硅膠粘劑導(dǎo)熱系數(shù)高(可達(dá)到3.6~5.3W/(m·K))。
[0022] 本發(fā)明制備的有機(jī)硅膠粘劑穩(wěn)定性好，按GB/T11211硫化橡膠與金屬粘合強(qiáng)度的 測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定，室溫下測(cè)試其粘接強(qiáng)度超過2.2MPa，膠粘劑粘接金屬與娃橡膠經(jīng)過200 °CX200h和250°CX200h老化后，分別在200°C、250°C測(cè)試其粘接強(qiáng)度仍在1.IMPa以上。
[0023]本發(fā)明制備的有機(jī)硅膠粘劑使用方便，通過添加溶劑，粘度可調(diào)，可滿足直接涂 刷，灌注，噴涂等工藝，且可室溫固化，固化過程不需要壓力。
[0024]聚合物由于分子鏈的無規(guī)纏結(jié)，分子量多分散性及分子鏈振動(dòng)對(duì)聲子的散射，導(dǎo) 致無法形成完整晶體，導(dǎo)熱系數(shù)很低。對(duì)于摻雜型導(dǎo)熱高聚物，當(dāng)導(dǎo)熱填料達(dá)到一定的比例 時(shí)，導(dǎo)熱填料之間會(huì)形成某種網(wǎng)狀或者鏈狀的導(dǎo)熱鏈，在導(dǎo)熱鏈的取向與熱流方向達(dá)到一 致時(shí)，高分子復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)熱性能。在本發(fā)明中，所使用的導(dǎo)熱填料具有優(yōu)異的導(dǎo) 熱性能，長度大于l〇nm的碳納米管，其導(dǎo)熱系數(shù)大于2800W/(m·K)，理論預(yù)測(cè)室溫下甚至可 達(dá)6000WAm·K)。碳纖維導(dǎo)熱系數(shù)400~700WAm·K)，鱗片狀碳粉導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1500~ 3000W/(m·K)(平面層內(nèi)導(dǎo)熱）。碳納米管具有大的長徑比、短切纖維彼此易接觸。使用不同 的偶聯(lián)劑、表面處理劑對(duì)導(dǎo)熱填料進(jìn)行表面處理，使得硅橡膠與導(dǎo)熱填料的相容性得到一 定的提高。在三輥研磨機(jī)剪切力的作用下，導(dǎo)熱填料處于均勻分散的狀態(tài)。有利于導(dǎo)熱填料 在硅橡膠中構(gòu)成有效的復(fù)合導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的 任意組合。
[0026]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式多種碳材料摻雜高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠粘劑按重量份數(shù)包 括150~250份硅橡膠、50~150份硅油、30~50份碳粉、15~20份短切碳纖維、6~16份碳納 米管、60~90份表面活性劑、8~11份硅烷類偶聯(lián)劑、2~4份炔醇類抑制劑和50~80份有機(jī) 溶劑。
[0027]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述硅橡膠為甲基乙 烯基硅橡膠，其中乙烯基含量為〇. 01 %~3%。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述硅油為乙烯 基硅油、含氫硅油中的一種或兩種按任意比組成的混合物，乙烯基硅油中乙烯基含量為 0.01%~3%，含氫硅油中含氫量為0.05%~1.8%。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。 [0029]本實(shí)施方式的乙烯基含量和含氫量是指摩爾含量。
[0030]【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述碳粉的 尺寸為1~20μπι。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0031 ]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:所述短切碳 纖維的尺寸為3~10_。其它與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0032] 六:本實(shí)施方式與一至五之一不同的是:所述表面活 性劑為二甲基甲酰胺。其它與一至五之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0033] 七:本實(shí)施方式與一至六之一不同的是:所述硅烷類 偶聯(lián)劑為ΚΗ550、ΚΗ560、ΚΗ570中的一種或幾種按任意比組成的混合物。其它與具體實(shí)施方 式一至六之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0034] 八:本實(shí)施方式與一至七之一不同的是:所述炔醇類 抑制劑為乙炔醇、丙炔醇、苯乙炔、乙炔基環(huán)已醇中的一種或幾種按任意比組成的混合物。 其它與一至七之一相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:所述有機(jī)溶 劑為正己烷或石油醚。其它與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式多種碳材料摻雜高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠粘劑的制備方法， 其包括如下步驟：
[0037] 一、按重量份數(shù)稱取150~250份硅橡膠、50~150份硅油、30~50份碳粉、15~20份 短切碳纖維、6~16份碳納米管、60~90份表面活性劑、8~11份硅烷類偶聯(lián)劑、2~4份炔醇 類抑制劑和50~80份有機(jī)溶劑；
[0038]二、將碳納米管化學(xué)接枝到短切碳纖維：首先用混酸溶液對(duì)碳納米管和短切碳纖 維進(jìn)行酸處理4~16h;將酸處理后的碳納米管及短切碳纖維酰氯化處理24~72h;再將酰氯 化的碳納米管進(jìn)行胺功能化處理48~72h;在60~80°C條件下，將胺功能化的碳納米管和酰 氯化的短切碳纖維在表面活性劑作用下反應(yīng)24~72h，得到碳納米管接枝短切碳纖維導(dǎo)熱 填料；
[0039]三、導(dǎo)熱填料的表面處理:將表面活性劑加入到去離子水中，表面活性劑與水的質(zhì) 量比為(0.1~3): 100,得到200mL含有表面活性劑的水溶液;然后在攪拌條件下加入碳粉和 步驟二所得碳納米管接枝短切碳纖維導(dǎo)熱填料，攪拌0.5~2小時(shí)后再超聲處理30~60分 鐘，得到導(dǎo)熱填料的懸浮液，再經(jīng)過濾、干燥得到表面活性劑處理的導(dǎo)熱填料；
[0040] 四、將硅橡膠、硅油通過開煉機(jī)混煉均勻后，再經(jīng)三輥研磨機(jī)加入步驟三制得的導(dǎo) 熱填料，混煉均勻，然后混入硅烷偶聯(lián)劑、炔醇類抑制劑及有機(jī)溶劑，即得高導(dǎo)熱有機(jī)硅膠 粘劑。
[0041] 所述酰氯化處理是將碳納米管及短切碳纖維放入氯化亞砜和表面活性劑組成的 混合溶液中，在60~70°C下加熱反應(yīng);其中混合溶液由氯化亞砜和表面活性劑按體積比10: (1~3)組成。
[0042]所述胺功能化處理是將酰氯化的碳納米管放入己二胺和表面活性劑組成的混合 溶液中，在60~70°C下加熱反應(yīng);其中混合溶液由己二胺和表面活性劑按體積比10:(1~3) 組成。
【具體實(shí)施方式】 [0043] 十一:本實(shí)施方式