球形氧化铝填充聚氨酯制备导热塑料.docx

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1、球形氧化铝填充聚氨酯制备导热塑料以聚氨酯为基材，球形氧化铝为导热填料，制备了填充型热固性塑料，研究了氧化铝填充量、外表处理对复合材料导热性能的影响，比拟了不同粒径氧化铝填充的导热塑料的导热性能，并进行了两者复配研究。结果表明：聚氨酯复合材料的导热系数是导热通道的构成与界面层阻碍效应互相作用的结果；当氧化铝填充总量为600质量份且m(BAK0100):m(BAK0300)为1:2，并经过占总填料质量1.5%的KH560改性后，所得材料的导热系数高达2.51W/mK。关键词：导热塑料；聚氨酯；球形氧化铝；导热系数；外表处理随着集成技术和微封装技术的成熟，电子产品向小型化和微型化方向发展，工作时产生

2、的热量会迅速积累、增加1。散热效果是保证电子产品能够高可靠性正常工作的一个重要因素，而导热系数的大小衡量了散热效果的好坏2。传统上铝材与铜材是常见的散热材料，但有下面缺陷：密度比拟大；系统成本和加工成本高；生产效率慢，生产周期长；不绝缘，安全性差。随着人们对产品外观的挑剔和环保意识的提高，铝材与铜材又暴露出设计自由度小和不节能的缺陷。因而，电子产品的外壳及零部件所用的散热材料从原来笨重的金属升级为易于成型、便于设计的导热塑料3。高分子材料本身的热导率很低，通过改变材料分子和链节构造获得特殊物理构造或具有完好结晶性的本征型导热材料的方法工艺复杂，操作难度大，成本高，不合适大规模生产和应用4。而填

3、充型导热塑料因其加工工艺简单，成本较低，备受关注5。目前导热塑料研究的成型工艺多集中在热塑成型上，基材选择多为聚酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等6。本研究以热固性聚氨酯为基材，氧化铝为填料，制备导热塑料。氧化铝主要有Al2O3、Al2O3、Al2O33种形态。Al2O3是各种Al2O3变体中最稳定的结晶形态，晶形为六方构造，因而导热填料多项选择Al2O3；而球形Al2O3由于构造的特殊性，可在基材中大量填充而成为导热填料的首选7。1实验部分1.1主要原料聚醚TMN450羟值450mg/g，天津石化三厂；乙二醇、1,4丁二醇，燕山石化二厂；催化剂PolycatSA，美国空气产品公司；异

4、氰酸酯PM200，烟台万华化学集团股份有限公司；球形氧化铝BAK0100中位粒径D50为102m，比外表积为0.5m2/g、BAK0300D50为303m，比外表积为0.3m2/g，上海百图高新材料科技有限公司；偶联剂KH560，南京康普顿曙光有机硅化工有限公司。以上均为工业级。1.2测试仪器Quanta250FEG型扫描电子显微镜，FEI公司；TSP2500型导热系数测试仪，瑞士HotDisk公司。将试样制成厚度为6mm、直径为60mm的圆柱形样品，导热系数测试参照标准GB/T33991982进行采用合适于导热系数为0.0110W/mK材料的测试方法。1.3基本配方质量份TMN450，94；

5、乙二醇，2；1,4丁二醇，4；催化剂PolycatSA，0.2；PM200，114。1.4试样制备按基本配方混合均匀TMN450、1,4丁二醇、乙二醇和催化剂PolycatSA，共100.2质量份，然后添加球形氧化铝，在氮气保护下，用研磨机研磨均匀后，组成A组分。114份的PM200与氧化铝混合，并研磨均匀，组成B组分。A、B组分快速混合均匀，倒入模具中，模具温度控制在90100，10min后脱模，测试导热系数。2结果与讨论2.1球形氧化铝填充量对导热性能的影响由图1中曲线a可知，BAK0100小粒径氧化铝在700质量份的用量范围内，聚氨酯的导热系数随其填充量增大而升高。BAK0100用量在2

6、00份之前，导热系数增加缓慢；200500份时，导热系数增长迅速，之后又趋于缓慢。氧化铝填充量低于200份时，填充量较少，氧化铝粒子被聚氨酯包围，相互间互相孤立，无法构成导热链，故热导率增加很缓慢。随导热粒子量增加，粒子堆积趋于严密，通过导热粒子间的传热途径比率增大，此时导热粒子相互间大部分已搭接连通，传热速率加快，热导率明显增大。高于500份时，导热通路增加不明显，粒子用量的影响已不起主要作用，此时小粒径氧化铝由于比外表积较大，与基材构成的界面层占有相当大的比重。这样，氧化铝填充量的增加一方面对提高导热系数有帮助，另一方面增加的界面层会构成阻碍，量越大，阻碍效应越强。并且当填充量到达700份

7、时，对材料加工性能和力学性能的负面影响较大。由图1中曲线b可知，在BAK0300大粒径氧化铝填充量600份时，随着填充量的增加，导热系数一直保持一个相对稳定的速率不断提高。这是由于大粒径氧化铝的填充能够在聚氨酯基材中快速地构成导热途径。填充量600份，图2中导热系数增加变缓，这是由于填充量过大时，加工经过中氧化铝在基材中的分散均匀性变差。比照图1中的曲线a和b，填充量在100400份时，BAK0300填充聚氨酯的导热系数明显高于BAK0100的；填充量在400500份时，大、小粒径填充聚氨酯的导热系数相当；填充量在500700份时，小粒径氧化铝填充聚氨酯的导热系数稍高于大粒径填充。这是基材中导

8、热通道的构成数量与界面层阻碍效应互相作用的结果。大小粒径不同用量氧化铝对聚氨酯热导系数的影响能够从其复合材料的内部构造找到原因，用其填充的复合聚氨酯材料扫描电镜照片见图2。在低填料用量下，导热粒子被基材树脂分割、包裹，互相接触几率少，导热通路少；而在高填料用量下，导热粒子堆积严密，互相接触，构成了导热通路，使热流沿热阻很小的填料通过，而不是穿过高热阻的聚氨酯层。故在高含量填料时，聚氨酯复合材料的导热系数会显著升高。而根据能量最低原理，在二元体系中，传热主要依靠低热导率基材内部的导热粒子构成的导热通路来进行。低填充量时，小粒径氧化铝具有较大的比外表积，这样与基材接触的相界面就较大，同等填料用量下

9、，小粒子被基材包裹程度更大。相反，大粒子由于粒径较大，与基体的相界面积相对较小，相互间容易接触，更容易构成稳定的导热通道。高填充量时，大、小粒径的氧化铝粒子堆积已很严密，此时材料导热系数与填料堆积度相关，而大粒径氧化铝更容易存在间隙，小粒径堆积更严密，所以小粒径氧化铝填充的导热系数更高。2.2氧化铝复配对导热系数的影响采用不同粒径粉体复配能够提高填料在基材中的堆砌系数，图3为大、小粒径氧化铝掺杂填充聚氨酯所得复合材料的扫描电镜照片200份BAK0100与400份BAK0300复配。由图3可知，小粒径氧化铝可填充到大粒径的缝隙间，提高了填料的堆积性，更有利于导热通道的构成。将大小粒径2种氧化铝按

10、一定比例复配，总填充量保持一定600份。比拟不同的复配比例对导热系数的影响，结果见表1。由表1可知，在保持总填充量600份时，采用不同粒径的氧化铝进行复配，能够获得更高的导热系数。BAK0100/BAK0300较佳的混合质量比为200:400即1:2，此时复合材料的导热系数为2.46W/(mK)。2.3偶联剂KH560的添加量对导热系数的影响将球形氧化铝放入120烘箱中烘45h后，在80高速混合机中参加质量比为200:400、总填充量为600质量份的BAK0100和BAK0300，然后添加以填料总质量计的不同比例的KH560，高速混料30min后，放入真空枯燥箱中备用。表2为不同KH560使用

11、量对复合材料导热性能的影响。由表2可知，同一条件下与未处理的氧化铝相比，填料用KH560进行外表处理后，对复合材料的导热性能有一定的影响，但不显著。当mKH560:m总填料1.5%时，导热系数稍有提高；mKH560:m总填料2.0%时，导热系数是降低的。这是由于适量的偶联剂KH560可提高氧化铝与聚氨酯基材的亲和力，利于导热通道的构成；然而，当KH560过量后，会在氧化铝和基材间隙构成热阻，堵塞导热通道。低填充量时，大粒径氧化铝填充聚氨酯制备导热材料的导热系数高于小粒径填充；高填充量时，小粒径氧化铝填充高于大粒径填充。在极限填充范围内600质量份，材料的导热系数是导热通道的构成数量与界面层阻碍效应互相作用的结果。采用大小粒径的氧化铝按一定比例复配，可减少填料间隙，提高填料堆积性，利于导热通道的构成，进一步提高复合材料的导热系数。用偶联剂KH560处理氧化铝粒子对聚氨酯复合材料的导热性能有一定的影响，但不显著，选择适宜的用量，可提高填料与基材的亲和力，进而提高导热性能。