本发明涉及化工领域，尤其涉及一种高效绝缘多元导热硅脂的研制方法。
背景技术：
：我们知道，导热界面材料广泛应用于电子、电器领域中需要导热的零部件。伴随着工业生产和技术要求，对导热硅脂的要求越来越高。具体体现在不但能为电子元器件提高安全可靠的散热功效又能起到绝缘、减震、润滑等作用。常见的有机硅导热界面材料有导热硅脂导热胶、导热硅胶片，以及导热弹性体。导热硅胶片使用简易，但热阻偏大，不适合用于散热要求高的电子元器；导热硅胶主要用于解决小面积元件散热问题，可以简化装配的过程，有效固定于芯片等表面；导热弹性体，是应用广泛的导热界面材料，对于元器件的适用面积几乎没有限制，能够非常方便地按尺寸修整；导热硅脂可以填充在配件于散热器之间排去中间的空气，充分润泽接触。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高效绝缘多元导热硅脂的研制方法。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高效绝缘多元导热硅脂的研制方法，其基体材质为硅油，其中比较经典的案例是甲基硅油，其特征在于，具体包括以下内容：S1、填料的复配(1)采用不同种类不同规格的填料填充到二甲基硅油与烷氧基封端硅油中混合进行十字正交实验,得到一系列导热硅脂样品；(2)记录其填充量，检测制品的界面厚度、导热系数和热阻；(3)另外选取样品的导热系数较高、热阻较低的填料类别进行不同粒径的分布搭配，并测试其界面厚度、导热系数和热阻；(4)选取做粒径分布搭配；S2、偶联剂的选择与复配，本发明采用的四种偶联剂通式为:(Y-R)4-nSiXn，其中NH2-C3H6Si(OC2H5)，CH2-OCH-CH2-C3H6Si-(OCH3)3，CH2＝CCH3OO(CH2)3Si(OCH3)3，CH2＝C-HSi(OC2H4OCH3)3；(1)用上述四种偶联剂分别加入到90％的乙醇中，配成质量分数为1％的溶液放置3Omin；(2)按配方要求加入事先混合好的填料中进行高速分散；(3)设置料温60℃并保温3Omin后升温至120℃高速搅拌，烘干，过滤得到改性的填料；(4)将已处理好过的填料(体积比0.62)加入二甲基硅油和端轻基硅油的混合基体中(混合粘度350cps)制成导热硅脂样品；(5)并测试导热硅脂样品的粘度、导热率、热阻、渗油性、储存期等参数。优选地，四种偶联剂分别带有氨基、环氧基、甲基丙烯酸基、乙烯基、烷氧基等官能团。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、采用不同硅油的混合，对导热硅脂制品的润湿性大大改善，优于市场上单独硅油生产的散热膏。更有利于降低导热硅脂的接触电阻。已经接近道康宁的水平。2、填料的复合搭配对导热硅脂制品的导热系数有着明显的改善。不同搭配的填料对制品粘度、平均接触热阻均不同。3、偶联剂处理后的填料，可降低体系的粘度，降低产品热阻。对导热系数没有明显的影响。具体实施方式下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。一、实验与探讨1.1基体材质我们知道导热硅脂的基体是硅油。国内不少研究者采用单一种类的硅油制得性能较为理想的硅脂制品，其中比较经典的案例是甲基硅油。市场上常见的硅油通式为:XR2SiO[Me]SiO]n-[MeR'Si0]mSiR2X(式中，R＝烷基、芳基。R'＝烷基、芳基、链烯基、氢基、碳官能团及聚醚链段等；X＝烷基、芳基、链烯基、氢基、氯基、轻基、等，n,m＝0,1,2,3....)其中MesSiO[MezSiO]n-SiMes]ViMezSiO[Mez_Si0]n-SiMezVi>PhMezSiO[MezSiO]n-SiMezPh，HoMezSiO[MezSiO]n-SiMezOH，MesSiO[Mez_Si0]n-[MeC]zHseSiO]m-SiMes等为导热硅脂典型的案例。我们用佳迪新材料有限公司自行合成的硅油进行不同粘度的复配，得到所需粘度的硅油混合体，进行实验设计(表①)，得出结论(表②)。采用不同有机基团如(烷氧基、乙酞氧基、碳官能团基及聚醚链段-H，-Ph，-off等)改性的硅油可以改善硅油的耐热性、润湿能力以及表面张力。同种硅油分子量的不同，粘度也随着改变。我们知道，任意两种粘度的硅油(非反应性)均可以混合，混合后的硅油物理化学性质影响不大。硅油的粘度调配大致可以用以下公式计算:Algη1+Blgη2＝(A+B)lgη(η1、η2为调配前两种硅油的粘度；A,B分别为调配前两种硅油的质量；η为调配后混合硅油的粘度)。1.2实验小结a、导热硅脂制品保质期、渗油性、填料填充量、导热系数、热阻等测试结果(表②)表明:不同硅油混合后作导热硅脂的基体，对导热硅脂制品保质期、渗油性等参数有所改善。这可能是不同硅油的混合，可以使体系中，基体与基体之间，填料与基体之间更好地形成不同程度的氢键，可以更均匀地增强基体对填料的润湿，提高填料的填充率，热阻降低。从而减少了高低温下不稳定的有机硅油或低分子的含量，达到导热硅脂制品稳定的目的。可见，基体对改善导热硅脂的整体性能重要性。b、从实验数据表明，二甲基硅油与烷氧基封端的硅油的混合，对提高填料提高填充率，降低制品热阻效果最为理想。可能是因为，烷氧基的加入更好地与填料表面作用形成亲油基团，形成“油包水”，从而提高填充率，降低热阻。附表①不同硅油调合后用于制造导热硅脂配方表序号硅油调合类型混合硅油用量混合硅油粘度球形氧化铝用量氧化铝粒径D501①+④100g350cps900g5um2①+②100g350cps900g5um3①+③100g350cps900g5um4④+③100g350cps900g5um5①+⑤100g350cps900g5um①代表二甲基硅油；②代表烷氧基封端硅油；③代表乙烯基硅油；④代表羟基封端的硅油；⑤代表甲基苯基硅油附表②含不同硅油的导热硅脂制品的性能测试配方序号导热率K(w/m.k)热阻(cm2K/W)填充性耐渗油性润湿性保质期(月)12.730.15易填充不渗油良好1222.830.12极易填充不渗油良好1232.690.18可填充不渗油良好1242.760.13较易填充不渗油良好1252.700.16可填充不渗油良好122.1.2填料的复配据不完全数据显示，单个电子元器件的工作温度升高8-100C，可靠性降低不低于45％；由于过热引起的CPU失效，占CPU失效总数比例的45％。可见，快速有效的“退烧”，对电子元件的重要性。我们知道，导热分稳态导热和非稳态导热。非稳态导热是指是指导入与导出物体导出物体的热流量不相等，物体内各点温度和热含量随时间的变化而变化的导热过程。根据傅里叶方程式:∵Q＝KA}T/dR＝ACT/Q∴K＝d/R其中，Q是热量-w，K是导热率-W/m.k，A是接触面积-m2，d是热量传递的厚度-m，DT是温差-k，R是热阻-cm2K/W。从K＝d/R可见，由于材料的导热系数是硅脂样品，记录其填充量，检测制品材料本身的特性。那么，热阻R与厚度d成正比。也就是说，厚度越厚，热阻越大。但是实际情况很多材料的热阻值R与厚度d并非成完全的正比关系。比如导热硅脂、导热硅胶等结构复杂的复合材料，出现非线性状态。也就是说，厚度越大，热阻一定增大，但不一定是成正比例关系。更可能是复杂的曲线图像。导热系数是反映材料导热性能的物理量。材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且跟材料的纯度，化学成分等因素密切相关。大颗粒填料的存在会对整个散热系统造成不同程度的危害。有的造成界面厚度增加，从而提高界面热阻；有的因颗粒过大会造成导热硅脂不能充满界面层，而引起空气使界面导热性能迅速退化，给系统散热带来不便。所以对每种粉体，即使平均粒径很小的粉体多要严格的大颗粒筛选处理。粉体，按照大中小三种粒径进行复配(10:1-1.5:0.05-0.1)其中大于1Oum为大，大1-1Oum为中，小于1um为小。复合材料中，体积填充率大于50％的情况下，其材料导热率主要是由粉体填料组分决定的，粉体多元化复配可以提高粉体填料与基体的填充量，从而提高系统致密性。提高导热系数，降低接触热阻。我们采用不同种类不同规格的填料填充到二甲基硅油与烷氧基封端硅油中混合进行十字正交实验。得到一系列导热硅脂样品，记录其填充量，检测制品的界面厚度、导热系数和热阻。另外，我们选取样品的导热系数较高、热阻较低的填料类别进行不同粒径的分布搭配，并测试其界面厚度、导热系数和热阻(附表③与附表④)不难发现氧化铝的填充量超过其他填料，制品热阻远远低于其他类型的填料，且其各项指标较好。选取做粒径分布搭配。附表③不同粒径的Al2O3填料分布互配表序号粒径D50＝40um粒径D50＝20um粒径D50＝5um粒径D50＝1um1100％00020100％00360％30％9％1％450％45％4％1％590％9％1％0附表④不同粒径大小的Al2O3互配的导热硅脂制品的综合指标2.1.3小结a、从附表③与附表④数据我们不难发现填料种类、填料与基体的填充比例、填料的分散、填料粒径及填料的粒径大小分布等诸多因素均会影响导热硅脂制品的导热率及热阻。原因是导热硅脂的热传导主要依靠导热填料之间相互接触而形成导热通路，声子通过导热通路而传导热量。b、采用单一填料时，导热硅脂制品的导热系数，不见得高，但是热阻偏高。这是因为粒子之间存在着诸多相同大小的空隙，而“缝隙”之间填充的是导热系数远远低于导热填料的硅油基体，这样，相当于导热通路增长，声子传播路程增长，传播效率减低，热阻增高，导热硅脂制品的导热效率减低。c、粒径较大(D50＝40um)的A12O3单独使用虽然可以制得粘度较低的导热硅脂，但其导热系数、热阻结果还不太理想。这样看来，为了达到理想的实验结果，填料的互配是很关键的。d、实验证明大小粒径的填料配比为“大”比“中”等于90比9时外加1％超细填料时，可以获取更小的热阻、粘度适合、导热系数较高的导热硅脂。原因可能是填料粒径大小的互配使填料内部形成了良好的导热通路，减短了声子的传递时间导致导热性能提高。e、从附表③与附表④数据发现填料与硅油的体积比为0.62(质量比接近1比13)时导热硅脂效果最佳。3.1填料的处理3.1.1偶联剂的选择与复配我们知道偶联剂品种繁多，常应用于有机硅体系的偶联剂通式为:(Y-R)4-nSiXn，其中NH2-C3H6Si(OC2H5)，CH2-OCH-CH2-C3H6Si-(OCH3)3，CH2＝CCH3OO(CH2)3Si(OCH3)3，CH2＝C-HSi(OC2H4OCH3)3等较为常见，它们分别带有氨基、环氧基、甲基丙烯酸基、乙烯基、烷氧基等官能团。填料经这些偶联剂处理后，其表面亲水性基团转变为亲有机性基团，从而减少填料颗粒集结引起的填充困难、填充量低、制品热阻偏高等问题。所以要求将偶联剂加入事先混合好的填料中进行处理。当然，不同的硅烷偶联剂处理的效果也大不相同，原因是基团不同疏水段结构与硅油基体接近程度也有区别。我们知道偶联剂起偶联作用的是微量的单分子层，它们的实际最佳用量主要从实验中确定。一般来说，偶联剂的实际用量应高于理论计算值的量。偶联剂的用量理论计算值为:W-Wg×A1/A2其中，W是偶联剂的理论用量-g，Wg是粉体的质量-g，A1是预处理掉的比表面积-m2/g，A是偶联剂的最小涂覆比表面积-m2/g。硅烷偶联剂最小包覆面积以硅烷偶联剂的品种不同而异。部分硅烷偶联剂的最小包覆面积参考数据见附表⑤。当不知道无机粉体的比表面积数据或硅烷偶联剂的最小包覆面积时，可将硅烷偶联剂用量选定为无机粉体质量的0.10％^-1.5％。填料处理方法:用上述四种偶联剂分别加入到95％的乙醇中，配成质量分数为1％的溶液放置3Omin后，按配方要求加入事先混合好的填料中进行高速分散。设置料温60℃并保温3Omin后升温至120℃高速搅拌，烘干，过滤得到改性的填料。然后将已处理好过的填料(体积比0.62)加入二甲基硅油和端轻基硅油的混合基体中(混合粘度350cps)制成导热硅脂样品，并测试其粘度、导热率、热阻、渗油性、储存期等参数(附表⑥)。附表⑤部分硅烷偶联剂的最小包覆面积参考数据附表⑥不同偶联剂处理填料对导热硅脂制品性能的影响序号偶联剂粘度(cps)渗油性导热系数(W/m.热阻(cm2K/W)储存期1无处理353200渗油4.000.129个月2KH550352920轻微渗油4.030.1012个月3KH560350010轻微渗油4.080.0912个月4KH570349760轻微渗油4.130.0912个月5KH172349210轻微渗油4.100.0912个月3.1.2小结附表⑥可以看出，不同偶联剂对填料进行表面处理，得到的导热硅脂制品的耐渗油性得到明显的改善，且对制品导热系数的变化并不明显。热阻有所改善，也就是说偶联剂对硅脂制品的导热系数没有直接促进作用。二、优化配方设计附表⑦配方优化及导热性能指标三、总结本文对导热硅脂生产工艺、配方进行考察，分别从硅油的混合、填料及粒径分布、填料偶联剂处理等因素着手，考察导热脂的性能指标。得到以下结论:(1)佳迪新材料公司采用不同硅油的混合，对导热硅脂制品的润湿性大大改善，优于市场上单独硅油生产的散热膏。更有利于降低导热硅脂的接触电阻。已经接近道康宁的水平。(2)填料的复合搭配对导热硅脂制品的导热系数有着明显的改善。不同搭配的填料对制品粘度、平均接触热阻均不同。(3)偶联剂处理后的填料，可降低体系的粘度，降低产品热阻。对导热系数没有明显的影响。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3