一种高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法与流程

本发明涉及无机-有机复合材料领域，尤其涉及一种六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法。

背景技术：

目前，随着电子信息技术的飞速发展，电子元器件越来越小型化和高功率化。高度集成的电子设备在运行时会产生大量的热，这些热若不能及时排出，则会造成工作环境温度升高，从而导致热故障或工作效率降低等后果。六方氮化硼是一种二维层状材料，因其跟石墨烯有着相似的结构，故被称为“白石墨烯”。此外，六方氮化硼还具有优异的绝缘特性，因此可以被使用在有绝缘要求的散热领域。

水性聚氨酯是一种高分子材料，由于其环保和良好的综合性能，在涂料、合成革、胶粘剂等领域有着广泛应用。但是，水性聚氨酯的热导率低，限制了其在散热领域的应用。目前，通常向高分子基体中添加无机高导热填料来增加复合材料的热导率。高分子基复合材料的传热过程实质上是声子的传播过程，因此构建良好的导热通路是提升复合材料的关键因素。

六方氮化硼比表面能高，比表面积大且易团聚，很难在水性聚氨酯中均匀分散，在成膜过程中容易聚集析出，难以在水性聚氨酯基体中高含量填充。低填充量的六方氮化硼不能有效地构建导热通路，导致复合材料的热导率没有明显的提升。以往的文献多是将六方氮化硼剥离至纳米级后作为导热填料添加到聚合物中。但是剥离过程不仅产率低，而且会造成大量的能源浪费。因此，需要设计一种简单易行的方法，可以让六方氮化硼在水性聚氨酯基体中实现高含量填充。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明所解决的技术问题是将商业级六方氮化硼进行表面改性以及添加γ-聚谷氨酸作为无机填料分散剂，实现六方氮化硼在水性聚氨酯中的高含量量填充，从而在复合材料内形成良好的导热通路，提高热导率，降低成本，节约能源。

本发明提供了一种高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，以商业级六方氮化硼、水性聚氨酯为原料，通过对六方氮化硼表面改性，添加分散助剂和室温固化成膜制备高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料；具体制备方法包括以下几个步骤：（1）将六方氮化硼、氢氧化钠、氢氧化钾和异丙醇混合于烧杯中，超声处理得到混合均匀的溶液。（2）将步骤（1）所得混合溶液，放入聚四氟乙烯衬里的水热反应釜中，待水热反应结束后，反复洗涤，放入真空烘箱中干燥，获得表面改性的六方氮化硼。（3）将步骤（2）所得改性后的六方氮化硼、γ-聚谷氨酸和水性聚氨酯混合于烧杯中，高速搅拌使溶液混合均匀。（4）称取适量步骤（3）的均匀混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，固化之后得到六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料。

优选地；所述步骤（2）中对六方氮化硼进行表面处理，具体过程为：将2g六方氮化硼、3g氢氧化钠、2g氢氧化钾和20ml异丙醇放入聚四氟乙烯衬里的水热反应釜中，水热反应结束后取出过滤，并用去离子水洗涤沉淀物至中性；随后将沉淀物在60℃烘箱中干澡，得到表面改性的六方氮化硼。

优选地，所述步骤（2）中水热反应温度为150-200℃，水热时间为8-16小时。

优选地，所述步骤（3）中γ-聚谷氨酸由微生物发酵法制备，分子量为70-100万，添加量为水性聚氨酯质量的0.5%-2%。

优选地，所述步骤（4）中固化方式为先室温固化48小时，之后60℃下固化8小时。

进一步地，所述高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料，其中六方氮化硼的质量百分比为0-25%。

进一步地，所述高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料，其中六方氮化硼为商业级，粒径为4-5μm。

本发明的有益效果是：

（1）水热处理法让六方氮化硼的表面增加了亲水基团-羟基，提高了氮化硼的水分散性。添加γ-聚谷氨酸作为分散剂，实现了商业级六方氮化硼在水性聚氨酯基体中的高含量填充，填充量可达25%。六方氮化硼填充量达到25%时，六方氮化硼/水性聚氨酯的热导率达到1.77w/(m·k)，是纯水性聚氨酯热导率的7倍。（2）本发明制备的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料以商业级六方氮化硼为原料，制备工艺简单，成本低，可适用于工业生产。

附图说明

图1.实施例1-6六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的热导率折线图

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步阐述，但是，本发明的保护范围并不限于此。

实施例1.称取固含量为2g的水性聚氨酯乳液到烧杯中，向其中添加0.02g的γ-聚谷氨酸，300rpm下磁力搅拌1小时使溶液混合均匀，之后将该混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，先室温固化48小时，之后在60℃下固化8小时，得到六方氮化硼填充量为0的水性聚氨酯材料。

实施例2.（1）称取2g六方氮化硼、3g氢氧化钠、2g氢氧化钾和20ml异丙醇混合于烧杯中，超声分散20分钟使溶液混合均匀，之后将该混合溶液倒入聚四氟乙烯衬里的水热反应釜中，在180℃下反应12小时。反应结束后，用去离子水反复离心洗涤8次。收集离心后的固体放入60℃的真空烘箱中干燥，获得改性后的六方氮化硼。（2）称取步骤（1）中0.1g改性后的六方氮化硼和0.019g的γ-聚谷氨酸，加入到固含量为1.9g的水性聚氨酯乳液中，500rpm磁力搅拌1小时，使溶液混合均匀，之后将混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，先室温固化48小时，之后在60℃下固化8小时，得到六方氮化硼填充量为5%的六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料。

实施例3-6.制备方法与实施列2相同，只改变改性六方氮化硼、γ-聚谷氨酸和水性聚氨酯用量，使得六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料中的六方氮化硼的质量百分比为10%、15%、20%、25%，实施例3-6中各组份如表1所示。其实施例1-6的热导率如图1所示。

表1.实施例3-6各组份表

技术特征：

1.一种高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：以商业级六方氮化硼、水性聚氨酯为原料，通过对六方氮化硼表面改性，添加分散助剂和室温固化成膜来制备高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料；具体制备方法包括以下几个步骤：

（1）将六方氮化硼、氢氧化钠、氢氧化钾和异丙醇混合于烧杯中，超声处理得到混合均匀的溶液；

（2）将步骤（1）所得混合溶液，放入聚四氟乙烯衬里的水热反应釜中，待水热反应结束后，反复洗涤，放入真空烘箱中干燥，获得表面改性的六方氮化硼；

（3）将步骤（2）所得的改性后的六方氮化硼、γ-聚谷氨酸和水性聚氨酯乳液混合于烧杯中，高速搅拌使溶液混合均匀；

（4）称取适量步骤（3）的均匀混合溶液倒入聚苯乙烯培养皿中，固化之后得到六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料。

2.根据权利要求1所述的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：对六方氮化硼进行表面处理，具体过程为：将2g六方氮化硼、3g氢氧化钠、2g氢氧化钾和20ml异丙醇放入聚四氟乙烯衬里的水热反应釜中，水热反应结束后取出过滤，并用去离子水洗涤沉淀物至中性；随后将沉淀物在60℃真空烘箱中干澡，得到表面改性的六方氮化硼。

3.根据权利要求1所述的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中水热反应温度为150-200℃，水热时间为8-16小时。

4.根据权利要求1所述的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中γ-聚谷氨酸作为六方氮化硼的分散剂，由微生物发酵法制备，分子量为70-100万，添加量为水性聚氨酯质量的0.5-2%。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中固化方式为先室温固化48小时，之后60℃下固化8小时。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料，其中六方氮化硼的质量百分数为0-25%。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的高填充六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述六方氮化硼为商业级，粒径为4-5μm。

技术总结
本发明公开了一种六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料的制备方法，制备方法为：以商业级六方氮化硼，水性聚氨酯为原料，通过水热法对六方氮化硼表面进行改性，并以γ‑聚谷氨酸为分散助剂，以室温固化成膜的方式制备一种高导热的六方氮化硼/水性聚氨酯复合材料。可以实现商业级六方氮化硼在水性聚氨酯中的高含量填充并实现复合材料较高的热导率。通过该方法可以在水性聚氨酯中填充25%的商业级六方氮化硼，使复合材料具有高导热性能。该方法成本低廉，工艺简单易行，适用于大规模生产。

技术研发人员：裴凯;田晓慧;孙金煜;元以中
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：2020.01.07
技术公布日：2020.04.17