包含导热颗粒的聚合物基质复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含多孔聚合物网络；以及分布在聚合物网络结构内的多个导热颗粒；其中基于所述导热颗粒和所述聚合物(不包括溶剂)的总重量计，所述导热颗粒在15重量％至99重量％的范围内存在；并且其中所述聚合物基质复合材料具有至少0.3g/cm

Polymer matrix composite containing thermal conductive particles and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含导热颗粒的聚合物基质复合材料及其制备方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年11月16日提交的美国临时专利申请62/587031的权益，该临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术介绍
集成电路、有源和无源组件、光盘驱动器、电池和马达在使用期间产生热量。为了延长装置长期以及连续的使用，必须耗散热量。含有热管的翅片式金属块和散热器通常用作热沉，以耗散装置在使用期间产生的热量。通常用于在发热组件与热沉/散热器之间提供热桥的材料包括凝胶块、液相至固相变化化合物、润滑脂，以及机械地夹持在例如印刷电路板(PCB)和热沉之间的衬垫。掺入到粘合剂(例如，热活化(热熔融)和压敏粘合剂)中的导热材料用于在发热组件和热沉/散热器之间提供粘合剂粘结，使得不需要机械夹持。这些热界面材料是热增强的(与未填充或轻填充的聚合物组合物相比)，在升高的温度(例如，至少50℃)下尺寸稳定，并且足够适形以在基材之间提供良好的接触(润湿)。通常，导热粘合剂为了柔软性/适形性具有受损的导热性，或反之亦然。多孔膜和膜一般经由相分离方法制备，并且因此，通常具有比可为闭孔的泡沫更小、更均匀的孔径和不同的孔形态。含在开孔多孔膜内的孔是开放的，使得气体、液体或蒸气可从一个主表面穿过开放孔到达另一个主表面。它们可经由若干相分离方法制备，但最通常经由溶剂诱导相分离或热诱导相分离来制备。多孔膜一般具有柔韧性并且可在硬质塑料或金属之间提供紧密接触或缓冲。然而，捕集的空气自然被认为是防导热的绝缘体，并且具有捕集空气的多孔材料通常不适用于热耗散。期望用于耗散或传导热量的替代材料和方法。
技术实现思路
在一个方面，本公开描述了一种聚合物基质复合材料，包含：多孔聚合物网络；以及分布在聚合物网络结构内的多个导热颗粒，其中基于所述导热颗粒和所述聚合物(不包括任何溶剂)的总重量计，所述导热颗粒在15重量％至99重量％(在一些实施方案中，25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％、或甚至93重量％至97重量％)的范围存在；并且其中所述聚合物基复合材料未压缩、原样制备具有至少0.3g/cm3(在一些实施方案中，至少0.4g/cm3、0.5g/cm3、1g/cm3、2g/cm3、3g/cm3或甚至至少4g/cm3；在一些实施方案中，在0.3g/cm3至7g/cm3、1g/cm3至6g/cm3、2g/cm3至5g/cm3、或甚至3g/cm3至4g/cm3的范围内)的密度，或在压缩之后具有至少1g/cm3(在一些实施方案中至少2g/cm3、3g/cm3、4g/cm3、5g/cm3、6g/cm3、7g/cm3、8g/cm3、9g/cm3或甚至至少10g/cm3；在一些实施方案中，在1g/cm3至10g/cm3、1g/cm3至9g/cm3、3g/cm3至8g/cm3、或甚至4g/cm3至7g/cm3的范围内)的密度。如本文所用，“导热颗粒”是指具有大于2W/(m*K)的热导率的颗粒。在一些实施方案中，聚合物基质复合材料的热导率通过压缩聚合物基质复合材料从而增加聚合物基质复合材料的密度来提高。在另一方面，本公开描述了制备本文所述的聚合物基质复合材料的第一种方法，所述方法包括：将热塑性聚合物、溶剂和多个导热颗粒组合(例如，混合或共混)以提供浆液；使所述浆液成形为制品(例如，层)；在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中所述溶剂的重量计至少90重量％(在一些实施方案中，至少91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、或甚至100％)的所述溶剂，并且基于所述热塑性聚合物的总重量计使至少50％(在一些实施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、或甚至100％)的所述热塑性聚合物溶解；以及诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离以提供所述聚合物基质复合材料。在另一方面，本公开描述了制备本文所述的聚合物基质复合材料的第二种方法，所述方法包括：将热塑性聚合物、用于所述热塑性聚合物的溶剂和多个导热颗粒组合(例如，混合或共混)以在可混溶的热塑性聚合物-溶剂溶液中形成导热颗粒的悬浮液；诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离；以及移除所述溶剂的至少一部分以提供所述聚合物基质复合材料。如本文所用，“可混溶的”是指物质以所有比例混合(即以任何浓度完全溶解于彼此)，从而形成溶液的能力，其中对于一些溶剂-聚合物体系，可能需要热量以使聚合物可与溶剂混溶。相比之下，如果显著比例不形成溶液，则物质为不混溶的。例如，丁酮可显著溶于水，但这两种溶剂是不可混溶的，因为它们不能以所有比例溶解。如本文所用，“相分离”是指其中颗粒均匀分散在均相聚合物-溶剂溶液中，所述溶液转化(例如通过温度或溶剂浓度的变化)成连续的三维聚合物基质复合材料的方法。在第一种方法中，所需制品在聚合物变得可与溶剂混溶之前形成并且相分离是热诱导相分离(TIPS)过程。在第二种方法中，聚合物在形成所需制品之前可与溶剂混溶。在第二种方法中，相分离经由使用湿法或干法的溶剂诱导相分离(SIPS)，或热诱导相分离方法实现。在SIPS湿法中，将溶解聚合物的溶剂与非溶剂交换以诱导相分离。体系中新的交换溶剂成为聚合物的孔形成剂。在SIPS干法中，将溶解聚合物的溶剂蒸发以诱导相分离。在干法中，还通过溶解聚合物的溶剂将非溶剂溶解于溶液中。聚合物的这种非溶剂随着溶解溶剂蒸发变成聚合物的孔形成剂。因为不使用附加的交换液体，所以将该方法视为“干法”。非溶剂通常也是挥发性的，但具有比溶剂低至少30℃的沸点。在TIPS方法中，使用升高的温度使非溶剂成为聚合物的溶剂，然后降低温度，使溶剂返回成聚合物的非溶剂。有效的是，热溶剂在移除足够热量时变成孔形成剂并且其失去其溶剂能力。用于热相分离方法中的溶剂可以是挥发性或非挥发性的。令人惊奇的是，在制备聚合物基质复合材料的第一种方法中，相对较高的颗粒负载允许制备可成型为层的浆液，所述浆液在溶剂被加热以变得可与聚合物混溶时维持其形式。所用的溶剂通常是挥发性的并且随后被蒸发。在使用TIPS方法制备聚合物基质复合材料的第二种方法中，所用的溶剂通常是非挥发性的。在通过湿式或干式SIPS方法制备聚合物基质复合材料的第二种方法中，溶剂通常对于湿法是非挥发性的，并且对于干法是挥发性的。通常，基于颗粒和粘结剂的体积，可在传统颗粒填充的复合材料(致密聚合物膜、粘合剂等)中实现的最大颗粒负载不超过约40体积％至60体积％。将超过60体积％的颗粒掺入到传统颗粒填充的复合材料中通常是不可实现的，因为此类高颗粒负载的材料不能通过涂布或挤出方法来处理并且/或者所得复合材料变得非常易碎。传统的复合材料通常还用粘结剂完全包封颗粒，从而防止进入颗粒表面并且最小化潜在的颗粒与颗粒接触。通常，导热颗粒填充的复合材料的热导率随着颗粒负载的增加而增加，从而使得可期望更高的颗粒负载。令人惊奇的是，用本文所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：/n多孔聚合物网络；以及/n分布在所述聚合物网络结构内的多个导热颗粒，/n其中基于所述导热颗粒和所述聚合物的总重量计，所述导热颗粒在15重量％至99重量％的范围内存在；并且其中所述聚合物基质复合材料具有至少0.3g/cm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171116 US 62/587,0311.一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：
多孔聚合物网络；以及
分布在所述聚合物网络结构内的多个导热颗粒，
其中基于所述导热颗粒和所述聚合物的总重量计，所述导热颗粒在15重量％至99重量％的范围内存在；并且其中所述聚合物基质复合材料具有至少0.3g/cm3的密度。


2.根据权利要求1所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有小于80％的孔隙率。


3.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒包含以下中的至少一种：铝、铜、银、石墨、金刚石、SiC、Si3N4、AlN、BeO、MgO、Al2O3、氢氧化铝、羟基氧化铝、六方氮化硼、立方氮化硼、ZnO、天然硅铝酸盐或合成硅铝酸盐。


4.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒包含非导电颗粒。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒包含导电颗粒。


6.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒具有在100纳米至2毫米范围内的平均粒度。


7.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段共聚物、氯化聚合物、氟化聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的共聚物。


8.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含相分离的多个互连形态。


9.根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含数均分子量在5×104g/mol至1×107g/mol范围内的聚合物，并且其中所述聚合物基质复合材料呈厚度在50微米至7000微米范围内的层的形式。


10.一种制备根据任一项前述权利要求所述的聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性聚合物、溶剂和多个导热颗粒组合以提供浆液；
使所述浆液成形为制品；
在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中所述溶剂的重量计至少90重量％的所述溶剂，并且基于所述热塑性聚合物的总重量计使至少50重量％的所述热塑性聚合物溶解；以及
诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离以提供所述聚合物基质复合材料。


11.根据权利要求10所述的方法，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：德里克·J·德纳，小克林顿·P·沃勒，巴拉特·R·阿查理雅，布兰东·A·巴特林，奥德蕾·S·弗提科，杰里米·M·希金森，萨蒂德尔·K·纳亚尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US