一种硅橡胶垫的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导热高分子复合材料领域，具体地说涉及一种具有超高导热系数的硅 橡胶垫的制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着微电子集成技术和高密度印制板组装技术的高速发展，现今微电子设备逐渐 朝着微型、便捷方向发展。在大功率驱动下，半导体工作热环境迅速向高温方向移动，这就 要求半导体产生的热量能够被高速的传导出去，以保证电子设备的正常运行。随着电子设 备向大功率、微型化方向的发展，对于导热填隙材料的导热性能要求也越来越高，甚至可以 说，导热填隙材料的导热性能是制约大功率电子设备发展的重要环节。
[0003] 现如今，市场上传统的界面导热材料主要为导热硅脂、导热胶粘剂、导热橡胶及相 变材料等几类界面材料。但其室温下的导热系数一般为1~5 W/m · K，远不能满足现今电子 设备的发展对于导热填隙材料的导热性能的要求。因而制备具有更高热导率导热填隙材料 的需求日益迫切。
[0004]在传统的技术方案中，往往采用常见的导热填料对硅橡胶进行填充:氧化铝、氮化 硼、碳化硅、金属铝粉、铜粉等。而利用石墨烯等碳材料作为导热填料时，也往往是对其与硅 橡胶进行简单的混合，并没有对石墨烯等进行排列取向，没有形成较好的导热网络结构，所 制备的硅胶垫的导热系数往往较低，一般不超过10 W/m · K。
[0005] 如中国专利号为"201210321268.6"的现有技术在2012年12月19公开了一种制备 导热硅橡胶复合材料的方法，其技术方案包括以下步骤：（1)由包括基体、导热填料和足量 硫化剂在室温条件下混炼，得到混炼胶料的步骤；（2)由步骤(1)所得混炼胶料经二段硫化， 得到目标物的步骤。该专利通过采用膨胀石墨与其它碳材料的混合物作为填料来提高硅橡 胶复合材料的导热系数，该方法虽然能提升硅橡胶复合材料的导热率到4 W/m · K，但其还 不能满足大功率电子设备对于导热填隙材料导热性能的要求，并且其制备工艺很复杂，不 利于工业化生产。
[0006] 又如中国专利号为"201410554466.6"的现有技术在2015年2月4公开了一种含石 墨烯的硅橡胶导热复合材料及其制备方法，虽然采用该方法制备出的导热硅橡胶材料能 够达到4.98 W/m · K的导热系数，但其对填料的预处理增加了其生产成本，更重要的是其也 未能对石墨稀进行定向排列，未能体现出石墨稀本身超高导热性能应用于娃橡胶中的优 势。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种硅橡胶垫的制备方 法，本发明能使纳米碳在娃橡胶中定向排列，形成规则的纳米碳定向导热网络结构，从而得 到具备超高导热系数的产品。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种硅橡胶垫的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1)向硅橡胶中加入纳米碳材料，捏合均匀后得到纳米碳-硅橡胶混合物； (2 )向纳米碳-硅橡胶混合物中加入无机导热粉末、催化剂和由二甲基硅油与含氢硅油 组成的混合物，经开炼后得到混炼胶； (3) 对混炼胶采用物理法定向，得到纳米碳材料在硅橡胶中定向排列的样品垫； (4) 对样品垫进行硫化，得到成品硅橡胶垫。
[0009] 所述步骤(3)中的物理法为机械挤压定向法，其具体步骤为:在混炼胶的平面方向 对混炼胶施加1一15Mpa的横向挤压力，使纳米碳材料在娃橡胶中以垂直于样品垫平面方向 的方式定向排列。
[0010] 所述步骤(1)中的纳米碳材料为纳米碳与氧化铁的复合物，所述步骤(3)中的物理 法为磁场定向法，其具体步骤为:沿着混炼胶的横向平面方向施加磁场，利用氧化铁纳米粒 子受磁场的定向吸引作用，使纳米碳材料在硅橡胶中以垂直于样品垫平面方向的方式定向 排列。
[0011] 所述步骤(2)中的纳米碳-硅橡胶混合物在加入无机导热粉末、催化剂和由二甲基 硅油与含氢硅油组成的混合物前，预先在开炼机中开炼5-20min，开炼完成后，再加入无机 导热粉末、催化剂和由二甲基硅油与含氢硅油组成的混合物进行开炼10-60min，即可得到 混炼胶。
[0012] 所述步骤（1)中的硅橡胶为100重量份，纳米碳材料为100-400重量份;所述步骤 (2)中的无机导热粉末为10-300重量份，催化剂为1 一 10重量份，由二甲基硅油与含氢硅油 组成的混合物1 一10重量份。
[0013] 所述步骤(1)中的硅橡胶为硅橡胶生胶、乙烯基硅油中的一种或两种的混合。
[0014] 所述步骤（1)中的纳米碳材料为石墨稀与鳞片石墨、碳纳米管、石墨稀纳米带、碳 纤维中的一种或多种的混合，所述鳞片石墨的尺寸为32-3000目，所述碳纳米管的直径为 10一150nm，长度为 5-20ym。
[0015] 所述步骤(2)中的无机导热粉末为金属铝粉、金属铜粉、碳化硅、氮化硼、氮化铝、 氧化铝中的一种或多种的混合。
[0016] 所述步骤(2)中的催化剂为过氧化苯甲酸叔丁酯或2,5_二甲基-2,5_二叔丁基过 氧化己烧，所述催化剂中加入有粘度为500-5000mPa · s的二甲基硅油，催化剂与二甲基娃 油的质量百分比为1 一 10:10-100。
[0017]所述步骤⑵中含氢硅油与二甲基硅油的质量百分比为1-20:20-100,其中，含 氢硅油中的氢含量为0.1 - 0.5%，二甲基硅油的粘度为500-5000mPa · s。
[0018] 所述步骤（4)中的样品垫在烘箱中硫化，硫化温度为120-180°C，硫化时间为 0.5-2h〇
[0019] 采用本发明的优点在于： 一、本发明中，步骤（1)中采用本身具有超高导热系数(其在XY平面上的热传输效率理 论值达5200 W/m · K)的纳米碳材料作为娃橡胶垫的导热填充材料，能够极大提升导热娃橡 胶复合材料的导热性能。步骤(2 )中在纳米碳-娃橡胶混合物中加入一定量的无机导热粉 末，相对于直接将无机导热粉末加入到硅橡胶中进行捏合的传统工艺而言，能够很大限度 的避免步骤（1)中所形成的纳米碳材料导热网络结构被破坏，并且在开炼过程中具有一定 的剪切作用，能够让无机导热粉末均匀的形成导热网络结构并排列于碳材料网络结构之 间，如此能够形成较完好的纳米碳材料网络结构与无机导热粉末网络结构交替排列的导热 网络。另外，在步骤(2)中加入的催化剂能够加快硅橡胶的硫化速率，加入的由二甲基硅油 与含氢硅油组成的混合物能够显著增强硅橡胶垫的表面粘性，并且降低其硬度。步骤(3)中 采用物理法定向能使纳米碳在娃橡胶中定向排列，形成规则的纳米碳定向导热网络结构。 与现有技术相比，本发明采用上述步骤的配合，能够很好地对纳米碳材料进行排列取向，使 纳米碳材料能够在娃橡胶中定向排列，从而得到具备超高导热系数的娃橡胶垫产品。
[0020] 二、本发明中，由于纳米碳材料具有易滑动的特性，因此，采用施加横向挤压力的 方式能使纳米碳材料快速地在娃橡胶中定向排列，既保证能够快速形成良好的导热网络结 构，又具有施工工艺简单和易实现工业化运用的优点。另外，纳米碳材料就石墨烯来说，其 在XY平面上的热传输效率理论值达5200W/m · K。纳米碳材料在硅橡胶中，其XY平面以垂直 于样品垫平面方向的方式定向排列时，当热量在导热垫上下表面传递时，热量是通过石墨 烯的XY平面进行横向传递，因而能够形成良好的导热网络结构，具有极高的传热效率。
[0021] 三、本发明中，纳米碳材料为纳米碳与氧化铁的复合物，该复合物与磁场定向法相 结合，利用氧化铁纳米粒子受磁场的定向吸引作用，通过氧化铁纳米粒子与纳米碳的强相 互作用力，能够引导纳米碳材料在硅橡胶中定向排列并快速形成良好的导热网络结构，具 有施工工艺简单和易实现工业化运用的优点。另外，纳米碳材料就石墨烯来说，其在XY平面 上的热传输效率理论值达5200W/m · K。纳米碳材料在硅橡胶中，其XY平面以垂直于样品垫 平面方向的方式定向排列时，当热量在导热垫上下表面传递时，热量是通过石墨烯的XY平 面进行横向传递，因而能够形成良好的导热网络结构，具有极高的传热效率。
[0022] 四、本发明中，步骤(2)中的纳米碳-硅橡胶混合物预先进行开炼后