三元导热绝缘复合材料及其制备方法与流程

本发明属于聚氨酯复合材料，特别涉及一种三元导热绝缘复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子设备朝着小型化、集成化、高频化方向飞速发展，设备的功耗与热流密度急剧增加，散热成为制约其技术发展的瓶颈问题。为此，热界面材料应运而生，大部分是由高导热填料与柔性和绝缘聚合物相结合的聚合物基复合材料，主要用于填补界面间空气间隙、降低接触热阻、提高散热性能。目前提高聚合物热导率最常用的方法是向其填充高导热无机刚子粒子(如陶瓷、碳材料、金属等)。虽然这些刚性导热粒子的引入会提高复合材料的导热性能，但是其与柔性高分子基体模量不匹配问题，导致复合材料内部应力集中、体系刚性增加、柔韧性降低。如中国专利cn110746563b报道了一种peg球磨插层h-bn改性聚氨酯导热复合材料及其制备方法。当材料的导热系数提高至1.2w/(mk)时，材料的拉伸强度只有1.9mpa，且断裂伸长率仅为45％。

2、作为新兴的功能材料，液态金属(如镓、共晶镓-铟合金、共晶镓-铟-锡合金)不仅保持了金属的基本特性，如高导热性和高导电性，而且还表现出优异的流动性和柔性、低黏度和低毒性。将液态金属替代传统刚性导热粒子加入到聚合物中，不仅可以显著提高复合材料的导热性，而且可以保持聚合物良好的柔韧性，成为热管理领域的理想候选材料。然而，液态金属本身优异的导电性能，限制了其在高绝缘性能需求领域的实际应用。如何制备一种高导热、良好绝缘性能且力学性能优异的复合材料仍具有很大的挑战。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的之一在于提供聚氨酯/氢氧化铝/液态金属三元导热绝缘复合材料，目的之二在于提供所述导热复合材料的制备方法以提供高导热、良好绝缘性能且力学性能优异的复合材料。

2、本发明提供一种三元导热绝缘复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)将二元醇于110-120℃，真空搅拌除水2-3h；温度降至40-60℃后，加入液化异氰酸酯，然后升温至70-90℃反应2-3h，合成端异氰酸酯的聚氨酯预聚物；

4、(2)将多元醇、扩链剂于110-120℃，真空搅拌除水2-3h；温度降至室温后，加入液态金属，高速旋转均匀，使其分散成微纳液滴，之后加入氢氧化铝粒子，高速旋转均匀；

5、(3)在步骤(2)的产物中加入端异氰酸酯的聚氨酯预聚物，高速旋转均匀形成复合材料，将复合材料置于两片pet膜之间，在压延机上压成0.5-2.0mm薄片；或将复合材料涂于铝片之间粘接，在15-80℃温度下固化。

6、进一步的，所述多元醇在室温下为液态，包括聚丙二醇、蓖麻油多元醇、聚己内酯多元醇、大豆油改性多元醇、菜籽油基多元醇的一种或多种共混物，所述多元醇羟值为100-300，官能度为2-3，室温下粘度为：20-1000cps。

7、进一步的，所述扩链剂在室温下为液态，包括1,4-丁二醇、乙二醇、甘油、丙二醇、丙三醇、一缩二乙二醇的一种或多种。

8、进一步的，所述多元醇和扩链剂的质量比为(10-20)：(1-5)。

9、进一步的，所述液态金属和氢氧化铝的体积比为(10-50)：(90-50)。

10、进一步的，所述液态金属和氢氧化铝的总和与聚氨酯基体的体积比为(20-70)：(80-30)。聚氨酯基体包括多元醇、扩链剂、聚氨酯预聚物。

11、进一步的，所述氢氧化铝的粒径范围为5-120μm。

12、进一步的，所述液态金属是熔点为5-30℃的液态金属。

13、进一步的，步骤(2)及步骤(3)中的高速旋转的速度是1500-3000rpm/min。

14、根据三元导热绝缘复合材料的制备方法制备的三元导热绝缘复合材料，包括：多元醇共混物、聚氨酯预聚物、液态金属及氢氧化铝；所述液态金属和氢氧化铝的体积比为(10-50)：(90-50)；所述液态金属和氢氧化铝的总和与聚氨酯基体(聚氨酯基体包括多元醇、扩链剂、聚氨酯预聚物)的体积比为(20-70)：(80-30)。

15、本发明的有益效果如下：

16、(1)通过调控氢氧化铝和液态金属的含量和比例，可有效提高复合材料的热导率，同时保证复合材料的电绝缘性能和阻燃性能，满足电子领域散热绝缘阻燃的应用需求。

17、(2)将液态金属首先在低粘度多元醇中分散成微纳米液滴，可以增大与氢氧化铝的接触面积，有利于二者在高速旋转过程中形成金属配位作用。此外，多元醇的羟基与液态金属表面氧化层的界面相互作用，有利于液态金属的分散和稳定。

18、(3)由于聚氨酯内部存在大量氨基甲酸酯、醚、酯、脲等极性基团，因此可以与氢氧化铝、液态金属之间形成氢键或配位键等非共价作用，从而可同时提高复合材料的导热、强度和韧性。

19、(4)通过原位聚合法全程无溶剂制备聚氨酯/氢氧化铝/液态金属三元导热复合材料。此制备方法绿色无污染，工艺简单，适合大规模生产。

技术特征：

1.三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2. 根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述多元醇在室温下为液态，包括聚丙二醇、蓖麻油多元醇、聚己内酯多元醇、大豆油改性多元醇、菜籽油基多元醇的一种或多种共混物，所述多元醇羟值为100-300，官能度为2-3，室温下粘度为：20-1000 cps。

3.根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述扩链剂在室温下为液态，包括1,4-丁二醇、乙二醇、甘油、丙二醇、丙三醇、一缩二乙二醇的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述多元醇和扩链剂的质量比为（10-20）：（1-5）。

5.三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属和氢氧化铝的体积比为（10-50）：（90-50）。

6.三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属和氢氧化铝的总和与聚氨酯基体的体积比为（20-70）：（80-30）。

7. 根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述氢氧化铝的粒径范围为5-120 mm。

8. 根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属是熔点为5-30 oc的液态金属。

9. 根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）及步骤（3）中的高速旋转的速度是1500-3000 rpm/min。

10.根据权利要求1所述的三元导热绝缘复合材料的制备方法制备的三元导热绝缘复合材料，其特征在于，包括：多元醇共混物、聚氨酯预聚物、液态金属及氢氧化铝；所述液态金属和氢氧化铝的体积比为（10-50）：（90-50）；所述液态金属和氢氧化铝的总和与聚氨酯基体的体积比为（20-70）：（80-30）。

技术总结
本发明提供了三元导热绝缘复合材料及其制备方法，方法包括以下步骤：将二元醇与液化异氰酸酯反应合成端异氰酸酯的聚氨酯预聚物；将多元醇、扩链剂真空搅拌除水，降至室温后，加入液态金属，高速旋转均匀，使其分散成微纳液滴，之后加入氢氧化铝粒子，高速旋转均匀；在产物中加入端异氰酸酯的聚氨酯预聚物，高速旋转均匀形成复合材料；将复合材料压成薄片或涂于铝片间粘接，固化。本发明充分利用液态金属和氢氧化铝与聚氨酯基体的非共价作用，可显著提升复合材料的导热性能和力学性能；进一步的，通过调控氢氧化铝和液态金属的含量和比例，可同时保证复合材料的高导热率和优异的电绝缘性能。本发明方法简单环保，有利于规模化生产。

技术研发人员：徐翠,贾潇,淮秀兰,杜军,刘斌,邓亚民
受保护的技术使用者：中科南京未来能源系统研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6