[发明专利]一种含经原位表面涂层膨胀石墨的导热绝缘复合高分子材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含经原位表面涂层膨胀石墨的导热绝缘复合高分子材料及其制备方法，具体包括以下步骤：采用溶胶‑凝胶法合成纳米二氧化硅(纳米SiO₂)，并原位包覆膨胀石墨(EG‑SiO₂)表面，然后将其掺入甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)中制备导热绝缘聚合物复合材料。纳米SiO₂层与硅橡胶分子链的相互作用，有效改善了EG与VMQ的界面相容性，进而使得EG在硅橡胶中能均匀分散以构建连续导热通路，以及通过良好的界面结合降低声子在两相界面的散射，提高导热性能；另一方面，在两相界面因引入纳米SiO₂作为电子传导阻隔层，提高绝缘性能。本发明制备的硅胶基导热材料与传统复合材料相比具有优异的导热性能，同时兼具良好的绝缘性能和力学性能，可广泛应用于热管理材料领域。该导热绝缘聚合物复合材料生产工艺简单高效，成本低，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于聚合物材料技术领域，具体涉及一种含经原位表面涂层膨胀石墨的导热绝缘复合高分子材料及其制备方法。

背景技术

随着现代电子设备和动力电池性能要求的不断提高，散热技术已成为制约相关领域发展的关键因素。因此，为了提高电子设备或动力电池的可靠性和使用寿命，对热界面材料(TIM)的性能要求也越来越高。聚合物基复合材料由于其优异的综合性能，包括耐化学性、低密度和易加工性，成为热管理材料领域的有力竞争者。TIM是发热器和散热器之间的填充介质，其作用在于涂敷在散热器件与发热器件之间，特别是填充在两个表面接触面之间的空气隙，从而降低接触热阻并有效地提高散热效率，通常希望TIM具有高导热、电绝缘、耐腐蚀以及高柔韧性等特性。

为了实现上述目的，通常将具有高导热性的填料掺入聚合物中用来提高复合材料的导热性能。然而，包括导热硅橡胶复合材料在内的TIM普遍存在的问题，是填料与基体之间的相容性较差，其结果是，一方面导致填料在基体中分散不均，不能有效构建导热通路；另一方面会在填料与基体界面形成高热阻区域，降低甚至阻断声子在基体与填料之间的传导路径，从而导致TIM的导热效果难以满足要求。另外，填料在基体中的不均匀分散，以及两者界面相容性差，也会导致TIM力学性能下降。除此以外，通常作为导热填料的碳材料所固有的导电性，也严重制约了碳材料在对介电性能和电绝缘性有较高要求的电子元器件TIM中的应用。因此，通过简单、高效以及环保的方式制备具备优异综合性能的TIM是当前亟需解决的问题。

甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)是一种分子结构中不含共轭结构，分子链的规整度以及整体结晶度也都较低的硅橡胶。这种硅橡胶中声子的平均自由程并不高，声子很容易在界面或者缺陷发生非弹性散射，导致硅橡胶自身并不具备本征型导热聚合物 (如聚乙炔)优异导热性能，其导热系数一般仅有0.17W/(m·K)～0.20W/(m·K)。膨胀石墨(EG)是一种具有“蠕虫”状结构的碳系材料。其制备工艺一般分成两步，即先氧化插层，再膨胀化。溶胶-凝胶法是以无机金属盐或有机金属醇盐为前躯体合成无机氧化物材料的常用方法之一。溶胶-凝胶反应在室温下分两步完成，四乙氧基硅烷(TEOS)是制备纳米SiO₂，最广泛使用的前躯体，可溶于酒精，遇水可水解，可通过改变TEOS含量来调节纳米SiO₂层的厚度。因此，溶胶-凝聚法合成纳米SiO₂并原位包覆于EG表面的方法简单、高效、重现性好。但目前现有技术中并未对此有所披露。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于EG被选为填料与硅橡胶组成复合材料时，一方面两者界面相容性差导致的EG分散不均无法构建导热通路以及界面热阻高，无法有效提高导热性能；另一方面EG对复合材料带来的导电问题。因此，本发明的思路，一方面，提高EG与硅橡胶的界面相容性，进而提高EG在硅橡胶中的均匀分散以构建连续导热通路，以及通过界面的良好结合降低声子在两相界面的散射，提高导热性能；另一方面，在两相界面因引入纳米SiO₂电子传导阻隔层，提高绝缘性能。