CN115895269B - 一种导热凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导热凝胶及其制备方法和应用，制备原料包括导热填料、硅油基体和聚乙烯醇水溶液；导热填料包括改性金刚石和改性金属氧化物；改性金刚石的表面修饰有氨基基团；改性金属氧化物的表面修饰有环氧基基团。本发明的一种导热凝胶，降低接触热阻，显著提升导热凝胶的导热性能。

Description

一种导热凝胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及新材料及其应用技术领域，具体涉及一种导热凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着电子设备向高功耗、微型化、集成性发展，其能量密度大幅提高，随之带来严峻的散热问题。失效的热管理将导致设备卡顿、电路破坏，埋下严重的安全隐患。热界面材料是帮助解决散热问题的最佳选择。导热凝胶是以硅油和导热填料等材料制备成的一种导热界面材料。它能与元器件表面充分贴合，进而填充各种缝隙，减小元器件与散热器之间的接触热阻，形成散热通道，同时还能起到绝缘、减震、密封等作用。

导热凝胶是具有超高适配性的一种热界面材料，相较于导热垫片，导热凝胶更加柔软，并且具有更好的表面亲和性，可以压缩至非常低的厚度。导热凝胶常温下一般以胶体的形式存在，具有优异的可塑性，可以适应各种不规则、形状多变以及凹凸不平的散热界面，应用场景更加灵活多变。目前市面上的导热凝胶主要是通过在硅油体系中掺杂导热填料的方式制备。为了获取更高的导热系数，一般会在树脂体系中添加更多的导热填料，通过提高导热填料的填充比例来获取更好地导热性能。但是无机类导热填料与硅油的相容性比较差，导致其填充率不高，导热填料之间由于大量硅油的存在，使得制备的导热凝胶导热系数不高。

因此，开发一种具有高导热性能导热凝胶是当务之急。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种导热凝胶，能够提升导热凝胶的导热性能。

根据本发明的第一方面实施例的一种导热凝胶，制备原料包括导热填料、硅油基体和聚乙烯醇；

所述导热填料包括改性金刚石和改性金属氧化物；

所述改性金刚石的表面修饰有氨基基团；

所述改性金属氧的化物表面修饰有环氧基基团。

根据本发明实施例的一种导热凝胶，至少具有以下有益效果：

本发明在金刚石的表面修饰有氨基基团；金属氧化物表面修饰有环氧基团，利用氨基与环氧基的化学键作用形成复合填料。使复合导热填料在体系中分散时更容易形成导热通道，且经过化学键组装的复合填料填充到基体中时可有效减少声子散射，从而使复合材料的导热性能得到有效提高。另一方面，本发明利用金属氧化物表面的含氧官能团和金刚石表面修饰的氨基基团进行反应，通过氢键相互作用，从而实现改性金属氧化物和改性金刚石的定向分布，在后续形成导热凝胶时减小了体系热阻，提升了导热性。

根据本发明的一些实施例，按重量份计，所述导热凝胶的制备原料包括所述改性金刚石30～50份、所述改性金属氧化物20～25份、所述硅油基体20～40份和所述聚乙烯醇水溶液10～20份。

根据本发明的一些实施例，所述硅油基体包括含乙烯基硅油和含氢硅油中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述改性金刚石的制备原料包括氨基硅烷偶联剂、醇水溶液和金刚石。

根据本发明的一些实施例，所述改性金刚石的制备方法中，所述氨基硅烷偶联剂包括KH-550和KH-792中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述金刚石的粒径范围为4μm～10μm。

根据本发明的一些实施例，所述改性金刚石的制备方法包括：将氨基硅烷偶联剂的醇水溶液和金刚石混合。

根据本发明的一些实施例，所述氨基硅烷偶联剂的醇水溶液的制备方法包括将氨基硅烷偶联剂和水混合。

根据本发明的一些实施例，所述氨基硅烷偶联剂的醇水溶液的制备中所述混合的温度为30～40℃。

根据本发明的一些实施例，所述氨基硅烷偶联剂的醇水溶液的制备中所述混合的时间为30～60min。

根据本发明的一些实施例，所述改性金刚石的制备方法中，所述混合的时间为2～8h。

根据本发明的一些实施例，所述改性金刚石的制备方法中，所述混合的温度为60～80℃。

根据本发明的一些实施例，所述改性金属氧化物的制备原料包括环氧基硅烷偶联剂、醇水溶液和金属氧化物。

根据本发明的一些实施例，所述改性金属氧化物的制备方法中，所述环氧基硅烷偶联剂包括KH-560。

根据本发明的一些实施例，所述改性金属氧化物的制备方法包括：将环氧基硅烷偶联剂的醇水溶液和金属氧化物混合。

根据本发明的一些实施例，所述环氧基硅烷偶联剂的醇水溶液的制备方法包括将环氧基硅烷偶联剂和水混合。

根据本发明的一些实施例，所述环氧基硅烷偶联剂的醇水溶液的制备中，所述混合的温度为30～40℃。

根据本发明的一些实施例，所述环氧基硅烷偶联剂的醇水溶液的制备中，所述混合的时间为30～60min。

根据本发明的一些实施例，所述改性金属氧化物的制备方法中，所述混合的时间为20～80min。

根据本发明的一些实施例，所述改性金属氧化物的制备方法中，所述混合的温度为80～130℃。

根据本发明的一些实施例，所述金属氧化物包括氧化铝、氧化镁、和氧化锌中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述金属氧化物的粒径为0.5-20μm。

根据本发明的一些优选地实施例，所述金属氧化物的粒径为0.5-2μm。

根据本发明的第二方面实施例的一种导热凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1、将所述导热填料分散后和所述聚乙烯醇混合；

S2、将步骤S1混合后得到的混合物冷处理后和所述硅油基体混合；

所述冷处理的温度为-20～-10℃。

本发明的上述制备方法至少具有以下有益效果：

冷处理过程中，聚乙烯醇水溶液冷却结冰，形成的冰晶会产生特定的取向，冰晶的取向力会使得导热填料与聚乙烯醇相分离，导热填料被挤压在冰晶界面上，完成了定向排列，继续反应得到导热凝胶后，将该定向型导热凝胶在轴向排列的方向上具有超高导热性能。将此定向型导热凝胶应用于电子产品上能够实现通过较少的导热填料用量即可实现较高的导热性能，定向排列的填料更有利于复合材料整体的热重平衡，而改善整个材料的散热均衡。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S1中，所述混合的温度为60～75℃。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S1中，所述混合的时间为30～80min。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S1中，所述混合包括搅拌混合。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S1中，所述搅拌混合的转速为200～500r/min。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，所述冷处理的温度为-20～-10℃。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，所述冷却的时间为10～14h。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S2中，所述混合的时间为1～5h。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S2中，所述混合包括搅拌混合。

根据本发明的一些实施例，所述导热凝胶的制备方法中，步骤S2中，所述搅拌混合的转速为200～500r/min。

根据本发明的第三方面实施例的一种上述导热凝胶在电子设备散热领域中的应用。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在如下所示，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例公开了一种导热凝胶及其制备方法，具体为：

本实施例中改性金刚石的制备方法为：

A1：按重量份计，将0.5份硅烷偶联剂(KH-550)、0.5份无水乙醇和0.1份蒸馏水混合均匀，在30℃恒温水浴中水解30min，得到硅烷偶联剂水解液；在高速混合机中加入100份金刚石，加热至74℃，加入上述硅烷偶联剂水解液，继续搅拌4h，反应结束后，用丙酮洗涤3次，真空抽滤后干燥得到改性金刚石。

本实施例中改性金属氧化物的制备方法为：

B1：按重量份计，将0.5份硅烷偶联剂(KH-560)、0.5份无水乙醇和0.1-份蒸馏水混合均匀，在30℃恒温水浴中水解30min，得到硅烷偶联剂水解液；在高速混合机中加入100质量份氧化铝粉，加热至110℃，加入上述硅烷偶联剂水解液，继续搅拌30min，得到表面修饰有环氧基基团改性氧化铝。

本实施例的导热凝胶的制备方法，具体为：

C1、按重量份计，将40份的改性金刚石、20份改性氧化铝和20份聚乙烯醇水溶液于75℃下200r/min反应30min得到混合浆料；

C2、将步骤C1的混合浆料于-25℃下冷却12h，解冻后和含乙烯基硅油40份放入行星式搅拌机，搅拌速率为200r/min，搅拌时间为1h。搅拌完成后，将混合物取出，即可得到导热凝胶。

实施例2

本实施例公开了一种导热凝胶的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于改性金刚石的加入量为45份，其余条件相同。

实施例3

本实施例公开了一种导热凝胶的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于改性金刚石的加入量为50份，其余条件相同。

实施例4

本实施例公开了一种导热凝胶的制备方法，本实施例和实施例1的区别在于改性金刚石的加入量为30g，其余条件相同。

对比例1

本对比例公开了一种导热凝胶的制备方法，本对比例和实施例1的区别在于加入的是未改性的金刚石，其余条件相同。

对比例2

本对比例公开了一种导热凝胶的制备方法，本对比例和实施例1的区别在于加入的是未改性的金属氧化物，其余条件相同。

对比例3

本对比例公开了一种导热凝胶的制备方法，本对比例和实施例1的区别在于未加入聚乙烯醇水溶液，其余条件相同。

对比例4

本对比例公开了一种导热凝胶的制备方法，本对比例和实施例1的区别在于未进行冷处理，其余条件相同。

测试例1

将上述实施例和对比例制得的导热凝胶进行性能测试，

导热性能测试：稳态法测定垂直方向导热的标准试验方法，测试仪器为LW-9389TIM电阻电导率测量仪，具体步骤为：在温度80℃，压力10psi下，分别测试出三种不同厚度热界面复合材料的热阻RTotal与厚度BLT之间的关系，再将得到的数据线性拟合，如式(1)所示，斜率即为热界面材料的导热系数κTIM，与y轴的截距即为接触热阻RContact：

R_Total＝R_Contact+BLT/κ_TIM (1)；

测试结果如表1所示。

表1导热凝胶性能测试

对比例1与实施例1的差异在于：加入的是未改性的金刚石，该条件下复合导热填料在体系中无法形成有效的导热通道，同时无法使改性金属氧化物和改性金刚石之间通过氢键相互作用，因此无法实现改性金属氧化物和改性金刚石的定向分布，导热性能下降。

对比例2与实施例1的差异在于：加入的是未改性的金属氧化物，该条件下复合导热填料在体系中无法形成有效的导热通道，同时无法使改性金属氧化物和改性金刚石之间通过氢键相互作用，因此无法实现改性金属氧化物和改性金刚石的定向分布，导热性能下降。

对比例3与实施例1的差异在于：未加入聚乙烯醇水溶液，该条件下无法形成有效的导热路径导致导热性能下降。

对比例4与实施例1的差异在于：未对聚乙烯醇水溶液进行冷处理，该条件下无法形成有效的导热路径导致导热性能下降。

本发明在金刚石的表面修饰有氨基基团；金属氧化物表面修饰有环氧基团，利用氨基与环氧基的化学键作用形成复合填料。使复合导热填料在体系中分散时更容易形成导热通道，使复合材料的导热性能得到有效提高。另一方面，本发明利用金属氧化物表面的含氧官能团和金刚石表面修饰的氨基基团进行反应，通过氢键相互作用，从而实现改性金属氧化物和改性金刚石的定向分布，在后续形成导热凝胶时减小了体系热阻，提升了导热性。

Claims (10)

1.一种导热凝胶，其特征在于：制备原料包括导热填料、硅油基体和聚乙烯醇水溶液；所述导热填料包括改性金刚石和改性金属氧化物；所述改性金刚石的表面修饰有氨基基团；所述改性金属氧化物的表面修饰有环氧基基团，

导热凝胶制备方法包括以下步骤：

S1、将所述导热填料和所述聚乙烯醇水溶液混合；

S2、将步骤S1混合后得到的混合物冷处理后和所述硅油基体混合；

所述冷处理的温度为-20~-10℃。

2.根据权利要求1所述的导热凝胶，其特征在于，按重量份计，所述导热凝胶的制备原料包括所述改性金刚石30~50份、所述改性金属氧化物20~25份、所述硅油基体20~40份和所述聚乙烯醇水溶液10~20份。

3.根据权利要求1所述的导热凝胶，其特征在于，所述硅油基体包括乙烯基硅油和含氢硅油中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的导热凝胶，其特征在于，所述改性金刚石的制备方法包括：将氨基硅烷偶联剂的醇水溶液和金刚石混合。

5.根据权利要求1所述的导热凝胶，其特征在于，所述改性金属氧化物的制备方法包括：将环氧基硅烷偶联剂的醇水溶液和金属氧化物混合。

6.根据权利要求5所述的导热凝胶，其特征在于，所述金属氧化物包括氧化铝、氧化镁和氧化锌中的至少一种。

7.根据权利要求5或6所述的导热凝胶，其特征在于，所述金属氧化物的粒径为0.5-20μm。

8.一种如权利要求1~7任一项所述的导热凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将所述导热填料和所述聚乙烯醇水溶液混合；

S2、将步骤S1混合后得到的混合物冷处理后和所述硅油基体混合；

所述冷处理的温度为-20~-10℃。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述混合的温度为60~75℃。

10.一种如权利要求1~7任一项所述的导热凝胶在电子设备散热领域中的应用。