改性石墨基功能填料、热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改性石墨基功能填料、热界面材料及其制备方法，其中，改性石墨基功能填料包括蠕虫状膨胀石墨，所述蠕虫状膨胀石墨表面具有化学活性镀层；所述化学活性镀层，用于引入活性基团以提高所述蠕虫状膨胀石墨的极性；所述热界面材料包括所述的改性石墨基功能填料及液态橡胶；解决现有热界面材料因无法达成柔性特征、导热性能及电磁屏蔽效能的多重耦合平衡以致其应用受限的问题。耦合平衡以致其应用受限的问题。耦合平衡以致其应用受限的问题。

【技术实现步骤摘要】
改性石墨基功能填料、热界面材料及其制备方法


[0001]本公开涉及热管理功能材料，具体的是一种功能填料、应用该功能填料的热界面材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于5G移动通信技术与集成电路制造工艺进一步发展，现代化电子设备正朝着高工作频率与小型化趋势发展。但是高集成度伴随着高功率密度会加速核心电子设备的老化过程，并引发一系列热管理领域的严重问题。此外，部分射频芯片工作产生的复杂电磁波不仅会影响相邻电子模块的工作也会对人体健康产生危害，且因为目前多数电磁屏蔽材料通过将电磁波吸收反射并转化为热能的方式以达成电磁屏蔽目的，然而这类电磁屏蔽材料忽视了电磁能转化过程中产生的大量积热问题。即使能够达成电磁屏蔽要求，但转化而成的热能大量积聚，仍会对电子器件造成严重危害。所以，在考虑电磁屏蔽效能的同时亦需兼顾到材料的热管理性能，为此要求具体应用的材料具有高的热导率及抗电磁屏蔽性能。
[0003]相比于传统金属基电磁屏蔽材料和热管理材料，聚合物材料因其可加工性、轻质量、抗腐蚀性而吸引了大量关注。然而，聚合物的低本征热导率(0.1~0.5 W m
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‑1)及低电磁屏蔽效能(10~20%)仍然从很大程度上限制了其在热管理及电磁屏蔽耦合领域的广泛应用。
[0004]第一方面，现有热管理材料在热管理方面存在的问题是，在材料的装配过程中因为材料特性而引发的装配热阻也是影响材料实际效果的一大重要因素。在实际应用中，当散热槽与热源设备直接接触时，由于不充分的粘接界面会产生大量微区空隙，由于空气热导率极低(约0.023 W m
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‑1)，从而会产生不可忽略的界面热阻。
[0005]当前许多研究采用的树脂基材并不具有柔韧性与应用界面粘接性能，因此即使获得一定程度上导热的增强但仍未解决实际应用中由于装配产生界面热阻的核心问题。例如，环氧树脂类导热材料成型后不具有柔性特征，那么在装配过程中将无法保证散热槽与热源的充分接触，导致大量微区空隙无法有效填充，最终会极大程度影响实际热管理性能。因此，开发能够填充微区空隙的柔性热界面材料是解决这一问题较为实际的方案。
[0006]第二方面，现有热管理材料在抗电磁屏蔽方面， 较为通用的方法是采用在聚合物基质内引入功能填料从而提升导热性能与电磁屏蔽效能，但由于普通的混合熔融成型无法有效解决高界面热阻问题，且很难构建取向发达的层状填料网络用以提升热量传输效率与电磁屏蔽效能。因此，亟需开发兼具卓越导热性能与电磁屏蔽效能的柔性热界面材料用以高效解决集成电路元件积热耗散、高频电磁波污染及实际热界面应用粘接的多重耦合问题。
[0007]第三方面，当前热管理材料中使用的功能填料，部分研究采用化学气相沉积法、等离子体气相沉积法、冰模板法等工艺制备功能填料，但这些工艺技术由于成本高昂且工艺复杂因而无法大规模实际应用。尽管目前有一些研究尝试采用过渡金属碳氮化物(MXENE)用作功能填料以提升热界面材料的电磁屏蔽性能，但高纯度的过渡金属碳氮化物合成过程
繁杂且成本极高，无法大量应用以协同增强热界面材料的导热性能。利用上述方法所得热界面材料大部分热导率低于20 W m
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‑1同时缺乏理想的电磁屏蔽能力，因此很难满足当前对热界面材料轻质、高导热、高电磁屏蔽的多重需求。
[0008]第四方面，传统的机械搅拌混合很难将高粘度的高分子基体与功能填料均匀混合，实际操作过程中往往造成填料聚集且分布不均的问题，这在成型过程中将会造成纳微结构中存在大量空隙，引发微区界面缺陷从而导致材料整体力学性能的下降。
[0009]因此，上述各种技术难题导致了无法在热界面材料中获得柔性特征、导热性能及电磁屏蔽效能的多重耦合平衡。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本公开提供一种改性石墨基功能填料及应用该填料的热界面材料，解决现有热界面材料因无法达成柔性特征、导热性能及电磁屏蔽效能的多重耦合平衡以致其应用受限的问题。
[0011]另外，本公开还提供了所述功能填料及所述热界面材料的制备方法。
[0012]第一方面，所述的改性石墨基功能填料，其特征在于，包括：蠕虫状膨胀石墨，所述蠕虫状膨胀石墨表面具有化学活性镀层；所述化学活性镀层，用于引入活性基团以提高所述蠕虫状膨胀石墨的极性。
[0013]第二方面，所述的改性石墨基功能填料的制备方法，其特征在于，包括：获取蠕虫状膨胀石墨；将所述蠕虫状膨胀石墨与改性剂于生化缓冲液中进行原位聚合反应以使所述蠕虫状膨胀石墨表面形成化学活性镀层，得到所述改性石墨基功能填料。
[0014]进一步地，所述化学活性镀层为纳米级化学活性镀层。
[0015]进一步地，所述蠕虫状膨胀石墨是鳞片石墨、石墨层间化合物、石墨碳管或石墨基碳纤维进行原位热膨胀的产物。
[0016]所述蠕虫状膨胀石墨保留石墨结构中固有范德华作用力，具有多孔的立体结构。
[0017]进一步地，所述改性剂是偶联剂；所述生化缓冲液，用于混合所述改性剂及所述蠕虫状膨胀石墨。
[0018]进一步地，所述改性剂，包括4
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(2
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氨基乙基)
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1,2
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苯二酚盐酸盐，乙烯基甲氧基硅烷或氨基乙氧基类硅烷；所述生化缓冲液，包括三羟甲基氨基甲烷盐酸盐与乙醇的混合溶液，异丙醇与氢氧化钠的混合溶液或无水乙醇与氨水的混合溶液；以及/或，所述蠕虫状膨胀石墨：所述生化缓冲液：所述改性剂的质量比为1：100~300：0.2~1.5；以及/或，所述原位聚合反应条件为在室温下机械搅拌12~48h；所述反应酸碱度pH范围: 7~12。
[0019]进一步地，在所述蠕虫状膨胀石墨表面形成化学活性镀层后，用洗涤剂进行清洗
后进行干燥，获得最终的改性石墨基功能填料。
[0020]进一步地，所述洗涤剂，包括去离子水、无水乙醇或异丙醇；以及/或，所述干燥方式为冷冻干燥，干燥时间控制在12~72h。
[0021]第三方面，所述的热界面材料，其特征在于，包括：第一方面所述的改性石墨基功能填料。
[0022]进一步地，所述热界面材料还包括液态橡胶。
[0023]进一步地，所述液态橡胶，包括丁腈橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶、顺丁橡胶或丁苯橡胶之一或几种的混合。
[0024]第四方面，所述的热界面材料的制备方法，其特征在于，包括：第三方面所述的液态橡胶和所述改性石墨基功能填料；硫化加成包含所述液态橡胶和所述改性石墨基功能填料的混合物得到所述热界面材料。
[0025]进一步地，所述混合物的固体质量百分含量为10~40wt%。
[0026]进一步地，获取所述混合物的方法采用的是真空多阶混合方式。
[0027]所述真空多阶混合在负压条件下实施，借助不同梯度的混合搅拌作用使混合物分散均匀并协同消除功能填料内部微米级的气隙，促使橡胶基质充分填充于功能填料微区。
[0028]进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性石墨基功能填料，其特征在于，包括：蠕虫状膨胀石墨，所述蠕虫状膨胀石墨表面具有化学活性镀层；所述化学活性镀层，用于引入活性基团以提高所述蠕虫状膨胀石墨的极性。2.一种改性石墨基功能填料的制备方法，其特征在于，包括：获取蠕虫状膨胀石墨；将所述蠕虫状膨胀石墨与改性剂于生化缓冲液中进行原位聚合反应以使所述蠕虫状膨胀石墨表面形成化学活性镀层，得到所述改性石墨基功能填料。3.根据权利要求2所述的改性石墨基功能填料的制备方法，其特征在于：所述化学活性镀层为纳米级化学活性镀层；以及/或，所述蠕虫状膨胀石墨是鳞片石墨、石墨层间化合物、石墨碳管或石墨基碳纤维进行原位热膨胀的产物；以及/或，所述改性剂是偶联剂；所述生化缓冲液，用于混合所述改性剂及所述蠕虫状膨胀石墨。4.根据权利要求3所述的改性石墨基功能填料的制备方法，其特征在于：所述改性剂，包括4
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(2
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氨基乙基)
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苯二酚盐酸盐，乙烯基甲氧基硅烷或氨基乙氧基类硅烷；所述生化缓冲液，包括三羟甲基氨基甲烷盐酸盐与乙醇的混合溶液，异丙醇与氢氧化钠的混合溶液或无水乙醇与氨水的混合溶液；以及/或，所述蠕虫状膨胀石墨：所述生化缓冲液：所述改性剂的质量比为1：100~300：0.2~1.5；以及/或，所述原位聚合反应条件为在室温下机械搅拌12~48h；所述反应酸碱度pH范围: 7~12。5.一种热界面材料，其特征在于，包括：权利要求1所述的改性石墨基功能填料。6.根据权利要求5所述的热界面材料，其特征在于：所述热界面材料还包括液态橡胶。7.根据权利要求6所述的热界面材料，其特征在于：所述液态橡胶，包括丁腈橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶、顺丁橡胶或丁苯橡胶之一或几种的混合。8.一种热界面材料的制备方法，其特征在于，包括：权利要求6或7所述的液态橡胶和所述改性石墨基功能填料；硫化加成包...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪怀远，高越阳，朱艳吉，崔业翔，徐飞，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：