[发明专利]高导热硅橡胶的制备方法

说明书

本发明揭示了高导热硅橡胶的制备方法，将石墨与球形导热填料混合后，采用行星式球磨法将天然石墨剥离成具有更薄纳米片层结构的石墨烯，同时促进球形导热填料的分散，得到石墨烯包覆的导热填料，通过配比形成硅橡胶混炼胶在超声作用下使改性导热填料在硅橡胶基体中充分分散形成导热网络，再通过高温高压模压制备得到具有高导热系数的硅橡胶纳米复合材料。本发明提供的高导热硅橡胶的制备方法，很容易使石墨烯和导热填料在硅橡胶中形成连通的导热网络，尤其是通过该方法可以实现利用极少量的石墨烯就可大幅度提高硅橡胶热界面材料的散热性能，特别适用于电子产品的散热领域。

技术领域

本发明涉及高导热硅橡胶的制备方法，属于高导热硅橡胶纳米复合材料制备方法的技术领域。

背景技术

随着5G时代的到来，电子器件朝着“小型化、集成化”方向的飞速发展，电子器件在运行过程中势必会产生大量热量，导致电子设备内部的温度急剧上升。如果这些发热元件的散热问题得不到有效解决，会严重地影响它们的使用寿命。所以，高效散热能力已成为制约电子器件使用寿命的关键因素。为了使电子器件可以长时间高效稳定地运行，必须采取有效的热管理措施，及时带走电子器件工作时所产生的热量，从而保证这些器件处于良好的工作环境。热界面材料是一种具有良好散热性能的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，驱除接触间隙内的空气，使发热器和散热器之间形成良好的导热通路，提高散热器的散热效率。常用的热界面材料主要包括导热硅脂、导热硅胶和导热垫片三类。

导热硅橡胶因具有高导热性、绝缘性和低硬度等优良特性，所以是微电子散热方面最常用的一种导热垫片。目前，已有许多国内外研究人员对导热硅橡胶进行了相应的研究，但是依然存在以下几个问题：第一，硅橡胶的导热系数不高；第二，无法满足电绝缘的要求。因此，开发高导热、和电绝缘的硅橡胶热界面材料是电子、电器散热领域重点解决的问题。

为了提高导热硅橡胶复合材料的导热性，人们通常加入导热填料以提高其热导率，目前常用的导热填料有氧化铝、氮化铝、金属粉末、氮化硼、碳化硅等，但是，上述导热填料本身的导热系数较低，只有在填充量很高的情况下才能获得较高的导热系数，使导热硅橡胶复合材料的加工性能下降，硫化后橡胶的硬度提高(功能材料,2014,45(20):20001-20006；Journal of Applied Polymer Science,2010,32(7):5705-5712)，这在很大程度上限制了其应用。石墨烯作为一类新型碳材料，具有高导热率的特点，理论上，单层石墨烯的导热系数高达5150W/m·k，是目前导热系数最高的材料。同时，石墨烯具有很高的径厚比(高达5000以上)和比表面积(2600m2/g)，非常有利于其与基体树脂之间的相互作用和相容性。但是，石墨烯在具有高导热性的同时也具有高导电的特点，使其绝缘性能极大地受损。此外，目前主要以超声的方式将石墨烯剥离，但是剥离效果并不是很突出，同时在树脂基体中的分散性也不好，极大地影响了石墨烯对硅橡胶导热性能的改善。因此，如何平衡导热硅橡胶的导热性和绝缘性，突破填料制备关键技术是导热产业所亟需解决的技术问题之一。例如，中国发明专利201310629967.1公开了一种含有石墨烯的高导热硅橡胶复合材料及其制备方法，直接将石墨烯加入基体中，得到导热硅橡胶复合材料，由于石墨烯与硅橡胶的相容性不好，其导热系数仅为0.3～1.5W/m·k。中国发明专利201310406773.5公开了一种导热电绝缘硅橡胶热界面材料及其制备方法，是在超声下将石墨烯分散成更薄更均匀的纳米片层结构，然后与球形氧化铝复配后与硅橡胶混均经模压成型得到导热系数为3.3W/m·k的电绝缘硅橡胶热界面材料。中国发明专利CN102827480A公开了一种制备高导热硅橡胶复合材料的方法，通过向硅橡胶基体中添加膨胀石墨以提高导热系数，但是石墨的处理工艺比较繁琐，不利于工业规模化生产。中国发明专利201811584072.X公开了一种高导热高强度的硅橡胶/石墨烯复合材料及其制备方法，通过将石墨烯球磨后再加入硅橡胶中，提高了两者之间的相容性，复合材料的导热系数最高可达3.49W/m·k。中国发明专利201310372003.3公开了一种高导热绝缘导热硅胶垫片及其制备方法，是通过对基体材料如硅橡胶进行充分研磨，实现硅橡胶基体与无机导热粒子之间的融合，可以使导热系数提高到5.0W/m·k以上。