一种高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术为一种高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤：将六方氮化硼与蒸馏水加入到反应器中，然后滴加阳离子聚甲基丙烯酰胺溶液，并搅拌反应，经微孔滤膜抽滤后，将固体残留物干燥，得到阳离子聚甲基丙烯酰胺改性的六方氮化硼，将其与聚碳酸酯在转矩流变仪中熔融共混，最后得到高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料；本发明专利技术为非共价键改性，改性中所用的介质为水，绿色无污染，整个改性过程简单易行、无毒、对设备要求低。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及高导热复合材料的制备领域，具体为六方氮化硼的表面改性，以及六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法。
技术介绍
：随着工业和技术的飞速发展，电子设备正朝着小型化、便携化、高集成化的方向发展，热量耗散变得不容忽视。如果热量不能得到及时耗散，势必影响器件的使用效率和使用寿命。聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)因其优异的电绝缘性、机械性能等特点，已经被广泛应用于导热要求较低的LED照明领域，但纯的PC导热性能差，限制了其在高导热要求领域的应用。因此，在保证PC本身优异综合性能的前提下，改善其导热性能在学术和工程领域引起了广泛的兴趣。在树脂基体中添加导热填料是目前制备导热高分子材料主流方法。目前已有多种填料被添加到树脂基体中，如金属、石墨、碳纳米管、氧化铝等，然而利用这些填料制备的复合材料材料具有电导率过高或热导率较低等缺点，无法满足导热绝缘领域的应用。六方氮化硼是一种具有高导热性、低介电常数、耐化学腐蚀和抗氧化性等特点的无机粒子，是制备高导热、绝缘高分子复合材料的理想填料。目前已有不少研究通过加入BN来提高基体的热导率。Xie等人利用30％的过氧化氢水溶液在高压釜中处理氮化硼，然后将经过处理的氮化硼加入聚乙烯醇(PVA)中制得导热复合材料，经过处理的氮化硼表面羟基增多，与基体界面结合强度增加，在10wt％填充量时，热导率达3.92W/m·K。(Xie B H,Huang X,Zhang G J.High thermal conductive polyvinyl alcohol composites with hexagonal boron nitride microplatelets as fillers.Compos Sci Technol 2013；85(9):98-103.)。该文献虽然在较低填充量下实现了较高的热导率，但对BN的处理需要在浓过氧化氢溶液和高压釜中进行，不仅危险，而且不具有普遍适用性，对设备要求较高。于晓燕等人通过先用混酸处理氮化硼增加可润湿性，再利用二异氰酸酯改性制得了氨基化的氮化硼。氨基化的氮化硼与基体聚酰亚胺(PI)相容性更好，可参与到聚酰亚胺的聚合反应中，起到交联点作用，在30wt％填充量时，热导率为0.5189W/m·K。(CN 104892968A)。此制备方法用混酸和二异氰酸酯对氮化硼进行修饰，不仅危险，而且二异氰酸酯毒性较大，不符合绿色化学的理念。本专利技术的目的是提供一种制备高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的方法。六方氮化硼表面化学基团极少，反应活性低，与基体相容性差，如果六方氮化硼未经处理就加入到树脂基体，六方氮化硼不能得到很好地分散，热导率提高较低。因此，对六方氮化硼的表面修饰，提高其分散性与构筑导热通路是其在复合材料领域应用的重点和难点。本专利技术提供了一种六方氮化硼的非共价键改性方法，使六方氮化硼与聚碳酸酯基体相容性得到改善，构筑了有效的导热通路，最终复合材料导热性能，耐热性能显著提高。
技术实现思路
本专利技术针对当前技术中存在的不足，提供了一种高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法。该方法首先对六方氮化硼的水溶液进行超声处理，增加其表面负电性，而后利用改性剂阳离子聚甲基丙烯酰胺主要通过静电作用吸附在六方氮化硼表面，不会影响氮化硼的晶体结构。本专利技术为非共价键改性，改性中所用的介质为水，绿色无污染，整个改性过程简单易行、无毒、对设备要求低。改性后的六方氮化硼可在聚碳酸酯基体中定向排列，形成取向结构，最终得到的复合材料热导率和耐热性都得到了很大提高。本专利技术的技术方案为：一种高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：第一步：将六方氮化硼与蒸馏水加入到反应器中，其配比为质量比，六方氮化硼:蒸馏水＝1:100～400，超声分散30～40h；第二步：将质量分数为0.1～1％的阳离子聚甲基丙烯酰胺水溶液，滴加到第一步制备的溶液中，滴加中溶液开始分层，当上层溶液澄清时停止滴加阳离子聚甲基丙烯酰胺溶液，继续搅拌5～30min，得到混合液；第三步：将上述混合液通过的微孔滤膜抽滤，随后将固体残留物在35～50℃下干燥20～24h，得到阳离子聚甲基丙烯酰胺改性的六方氮化硼，记为m-BN；第四步：将改性六方氮化硼(m-BN)与聚碳酸酯在转矩流变仪中熔融共混，m-BN的质量分数为5～20％；熔融共混温度为230～250℃，转子转速为30～50rpm，共混时间为6～10min；最后得到高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料。所述的第一步中的超声条件为：100kW，25～60℃。所述的第二步中的阳离子聚甲基丙烯酰胺为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与甲基丙烯酰胺的共聚物；二者的摩尔比为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵：甲基丙烯酰胺＝1:1～4。所述的六方氮化硼为工业品的高纯微米级六方氮化硼，片径3～5μm，纯度＞99.0％。所述的微孔滤膜的孔径为0.15～0.45μm。本专利技术的实质性特点为：当前技术中，对六方氮化硼的改性方法多为共价键化学改性，不仅危险有毒，产量低，而且有可能会破坏六方氮化硼的晶体结构，而六方氮化硼晶体的完整性对将来热导率影响很大，如果晶体结构被破坏，热导率将提高甚微。如侯君等人通过混酸处理氮化硼增加表面羟基，然后接枝硅烷偶联剂来改性六方氮化硼(Hou J.Preparation and Characterization of Surface Modified Boron Nitride Epoxy Composites with Enhanced Thermal Conductivity.Rsc Adv 2014；4(83):44282-44290.)。这种改性方法中使用的混酸与甲苯均为危险、高毒试剂，对人体有害，而且经过处理的氮化硼晶体结构会发生变化。而本专利技术为非共价键改性，改性剂阳离子聚甲基丙烯酰胺主要通过静电作用吸附在六方氮化硼表面，不会影响氮化硼的晶体结构，改性中所用的介质为水，绿色无污染，整个改性过程简单易行、无毒、对设备要求低。此外，之前的专利或文献在利用氮化硼提高树脂导热的研究中，主要致力于对氮化硼表面的改性，没有对氮化硼在基体中的分布进行设计，而本专利通过阳离子聚甲基丙烯酰胺的限制作用使氮化硼在基体中定向排列，更有利于热导率提高。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术所用的改性剂为阳离子聚甲基丙烯酰胺，绿色无毒，用其改性六方氮化硼的方法未见报道。采用的改性方法为非共价键法，简便易行，不会改变六方氮化硼的晶体结构，相较于其他化学改性方法，不仅安全，而且可以满足大批量生产需求。2.本专利技术中改性后的六方氮化硼(m-BN)在聚碳酸酯基体中会取向排列，使制得的复合材料的热导率、耐热性能显著提高，同时电绝缘性得到保持。实施例4中，加入20wt％改性后的六方氮化硼时，复合材料的热导率为0.73W/(m·K)，是纯聚碳酸酯的3.1倍，且复合材料热失重为5％时的温度达到498℃，较纯聚碳酸酯的提高了77℃；填充改性六方氮化硼的复合材料体积电阻率仍保持在1016Ω·cm，可满足电子电气领域使用要求。附图说明：图1为本专利技术实施例1提供的六方氮化硼改性前后的红外图谱对比图；图2为本专利技术实施例1～4提供的改性六方氮化硼/聚碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步：将六方氮化硼与蒸馏水加入到反应器中，其配比为质量比，六方氮化硼:蒸馏水＝1:100～400，超声分散30～40h；第二步：将质量分数为0.1～1％的阳离子聚甲基丙烯酰胺水溶液，滴加到第一步制备的溶液中，滴加中溶液开始分层，当上层溶液澄清时停止滴加阳离子聚甲基丙烯酰胺溶液，继续搅拌5～30min，得到混合液；第三步：将上述混合液通过的微孔滤膜抽滤，随后将固体残留物在35～50℃下干燥20～24h，得到阳离子聚甲基丙烯酰胺改性的六方氮化硼，记为m‑BN；第四步：将改性六方氮化硼(m‑BN)与聚碳酸酯在转矩流变仪中熔融共混，m‑BN的质量分数为5～20％；熔融共混温度为230～250℃，转子转速为30～50rpm，共混时间为6～10min；最后得到高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种高导热绝缘六方氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步：将六方氮化硼与蒸馏水加入到反应器中，其配比为质量比，六方氮化硼:蒸馏水＝1:100～400，超声分散30～40h；第二步：将质量分数为0.1～1％的阳离子聚甲基丙烯酰胺水溶液，滴加到第一步制备的溶液中，滴加中溶液开始分层，当上层溶液澄清时停止滴加阳离子聚甲基丙烯酰胺溶液，继续搅拌5～30min，得到混合液；第三步：将上述混合液通过的微孔滤膜抽滤，随后将固体残留物在35～50℃下干燥20～24h，得到阳离子聚甲基丙烯酰胺改性的六方氮化硼，记为m-BN；第四步：将改性六方氮化硼(m-BN)与聚碳酸酯在转矩流变仪中熔融共混，m-BN的质量分数为5～20％；熔融共混温度为230～250℃，转子转速为30～50rpm，共混时间为6...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿雄伟，王进炜，李红蕊，张广林，王农跃，张影，王晓凤，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12