一种碳陶纳米材料及其高导热纳米碳陶溶胶的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳陶纳米材料及其高导热纳米碳陶溶胶的制备方法，所述碳陶纳米材料由高导热一维纳米碳纤维为内核，电绝缘纳米陶瓷材料为外壳组成，所述纳米陶瓷材料包覆于纳米碳纤维表面，将纳米碳纤维和纳米陶瓷分别进行硅烷表面修饰后分散到有机溶剂中，加热反应，纳米碳纤维和纳米陶瓷因表面带有可反应基团发生化学反应，将纳米陶瓷包覆在纳米碳纤维表面形成“核壳”结构，这种特殊的结构能够降低碳纤维的导电性而保持纤维优异的导热性；纳米碳陶填料表面含有硅烷偶联剂，与有机溶胶相容性好，抑制了纳米填料的沉降效应，制备的复合纳米碳陶溶胶可长期稳定存在，纳米碳陶溶胶制备的涂层具有优异的导热性和绝缘性。备的涂层具有优异的导热性和绝缘性。备的涂层具有优异的导热性和绝缘性。

【技术实现步骤摘要】
一种碳陶纳米材料及其高导热纳米碳陶溶胶的制备方法


[0001]本专利技术属于导热绝缘材料的制备领域，具体涉及一种碳陶纳米材料及其高导热纳米碳陶溶胶的制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子电气行业朝着高度集成化和高功率密度的方向发展，器件单位面积产热不断提高，如果电子电气元件长时间处于高温下工作，不但会导致设备性能的下降，加速内部器件的老化，甚至设备导致寿命的大大降低甚至损坏，因此对于电子电气设备的热管理显得格外重要。目前，电子元器件散热通常采用自然、强制、制冷、热传导、液体和热隔离等。在电子设备中加入导热涂层是快速散热的有效手段。这种方法具有成本低、操作简单、寿命长、散热效果明显等特征，只需要将导热溶胶涂抹即可，是国内外重点研究方向。然而聚合物涂层本征的导热率非常低，常见的聚合物材料导热系数在0.1～0.3W
·
(m
· K)
‑1之间，起不到快速散热的目的。向聚合物中引入高导热填料是提高涂层最常见的方法。
[0003]早期人们通过填充大量传统导热填料（例如氧化铝、二氧化硅等），提高填料的填充量来提高涂层材料导热系数，尽管制备工艺简单且传统的导热填料价格低廉，方便工业化大规模生产，但传统的导热填料导热系数低，复合涂层导热系数提升有限，且高填料体积会导致复合涂层的开裂和沉降。因此，继续研究新的导热填料提高导热溶胶的性能。碳纤维是一种导热率非常高的材料，其导热系数可达700 W
·
(m
· K)
‑1，是一种极其优异的导热填料。然而，碳纤维是导电的，不能应用于电子电气设备的散热。抑制碳纤维的导电性，利用碳纤维的高导热性，是制备一种高导热溶胶的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服纳米碳纤维作为导热填料导电性高及其在溶胶中分散性差的问题，提供一种具有高导热性、高绝缘性、经济性和易制备等特点的导热填料及其制备方法，并使其在导热溶胶中成功应用。分别对一维纳米碳纤维（CF）和零维或二维导热绝缘陶瓷材料进行表面修饰，使它们表面分别接枝带有氨基基团和环氧基基团的硅烷偶联剂，将两种修饰过的填料分散到有机溶剂中，加热搅拌下氨基基团和环氧基团发生反应，使两类填料产生键接，通过调控两种填料的加入量，使零维或二维的陶瓷材料包覆在一维纳米纤维表面，形成“核壳”盔甲结构，这样的特殊结构使得一维纳米纤维的导电性大大降低而保持其优异的导热性，复合填料外层含有大量未反应的硅烷偶联剂，能提高填料在溶胶中的稳定性，有效降低了沉降的发生，从而达到制备一种碳陶纳米材料及其高导热纳米碳陶溶胶的目的。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种碳陶纳米材料及其高导热纳米碳陶溶胶的制备方法，所述纳米碳陶溶胶以质量分数100%计，包括40
‑
80%的聚合物溶胶和20
‑
60%的改性纳米粒子填料，以及少量表面活性剂；所述的改性碳陶纳米填料为表面覆盖陶瓷纳米粒子的碳纤维；所述碳纤维为长度
为50
‑
150微米，直径为50
‑
200纳米的碳纤维；一维的碳纤维采用表面改性处理后获得。
[0005]优选地，所述的硅烷改性碳纤维的制备包括以下步骤：A. 碳纤维的羟基化：将碳纤维分散于酸溶液中进行羟基化反应，然后过滤冲洗，得到羟基化的碳纤维；B. 硅烷偶联剂包覆碳纤维：将羟基化的碳纤维与硅烷偶联剂反应，得到硅烷偶联剂包覆的碳纤维。
[0006]优选地，步骤A中，所述酸溶液包括体积比为1:1~5的浓硫酸和双氧水，所述碳纤维和硫酸溶液的固液质量比为1:10~50，羟基化反应10~24小时。
[0007]优选地，步骤B中，所述硅烷偶联剂为环氧基硅烷偶联剂为（3
‑
缩水甘油基氧基丙基）三甲氧基硅烷（GPTMS），与纳米粒子的质量比为1:0.1～0.5；所述反应在100℃下反应12~48h，所用溶剂为质子性溶剂乙醇。
[0008]所述的改性碳陶纳米填料为表面覆盖陶瓷纳米粒子的碳纤维；所述陶瓷纳米粒子选自自纳米氧化铝（Al2O3）、纳米氮化铝（AlN）、氮化硼纳米片（BNNS）的一种或多种；所述零维或二维的导热陶瓷绝缘材料采用表面改性处理后获得。
[0009]优选地，所述的硅烷改性陶瓷纳米粒子的制备包括以下步骤：A. 陶瓷纳米粒子的羟基化：将陶瓷纳米粒子分散于酸溶液中进行羟基化反应，然后过滤冲洗，得到羟基化的陶瓷纳米粒子；B. 硅烷偶联剂包覆陶瓷纳米粒子：将陶瓷纳米粒子与硅烷偶联剂反应，得到硅烷偶联剂包覆的陶瓷纳米粒子。
[0010]优选地，步骤A中，所述酸溶液包括体积比为1:1~5的浓硫酸和双氧水，所述陶瓷纳米粒子和硫酸溶液的固液质量比为1:10~30，羟基化反应10~24小时。
[0011]优选地，步骤B中，所述硅烷偶联剂为3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和氨丙基三甲氧基硅烷（APS）的一种，与纳米粒子的质量比为1:0.1～0.5；所述反应在100℃下反应12~48h，所用溶剂为质子性溶剂乙醇。
[0012]本专利技术提供了一种高导热绝缘碳陶纳米材料的制备方法，包括一维纳米碳纤维和零维或二维的纳米陶瓷材料；所述零维或二维的纳米陶瓷材料包覆于一维纳米碳纤维表面，形成“核壳”结构，其制备方法包括如下步骤：将硅烷改性陶瓷纳米粒子和硅烷改性碳纤维分散到有机溶剂中，加热、搅拌进行反应，然后过滤、干燥，得到所述高导热绝缘碳陶纳米材料；两种材料表面分别带有氨基和环氧基团，发生化学反应，将陶瓷材料嫁接到纳米碳纤维表面，为碳纤维穿上一层“盔甲”，降低了碳纤维的导电性。
[0013]优选地，其特征在于，所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯中的一种；所述反应温度在70～110℃，反应时间为4～12h；所述的一维导热填料和零维或二维导热绝缘填料加入的质量比为1:(5～10)。
[0014]本专利技术还提供了一种高导热纳米碳陶溶胶的制备方法及用途，包括聚合物溶胶和高导热纳米碳陶填料；所述高导热纳米碳陶填料的填充体积为40
‑
70％；所述溶胶为有机硅溶胶、聚氨酯溶胶中的一种。其制备过程包括以下步骤：将经过干燥的高导热纳米碳陶填料加入到聚合物溶胶中，搅拌均匀分散，即可制备高导热纳米碳陶溶胶。
[0015]优选地，搅拌方式采用超高压均质机混合均匀，混合压力为50,75,100,和125MPa, 次数为5,10,15和20次循环。
[0016]本专利技术采用高热导率的一维纳米碳纤维和零维或二维纳米陶瓷为原料，通过硅烷表面改性，引入可反应的基团，再将两种纳米材料分散混合，由于两种材料表面含有可化学反应的官能团，反应后使两者结合，最终实现绝缘的零维或二维纳米材料包覆于一维纳米碳纤维表面，形成“核壳”结构，这种特殊的结构为纳米碳纤维穿上一层“铠甲”，降低了纳米碳纤维的导电性而保持其原有的高导热性，随后制备的高导热碳陶溶胶可应用于电子电气设备、先进电子封装、5G基站、芯片和新能源电池散热等领域。类似导热绝缘材料未见报道。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳陶纳米材料制备方法，将硅烷改性碳纤维和硅烷改性陶瓷纳米粒子分散到有机溶剂中，加热、搅拌进行反应，然后过滤、干燥得到；所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯中的一种；反应温度在70～110℃，反应时间为4～12h；所述的硅烷改性碳纤维和硅烷改性陶瓷纳米粒子加入的质量比为1:(5～10)。2.根据权利要求1所述的一种碳陶纳米材料制备方法，其特征在于：所述的硅烷改性碳纤维的制备包括以下步骤：A. 碳纤维的羟基化：将碳纤维分散于酸溶液中进行羟基化反应，然后过滤冲洗，得到羟基化的碳纤维；B. 硅烷偶联剂包覆碳纤维：将羟基化的碳纤维与硅烷偶联剂反应，得到硅烷偶联剂包覆的硅烷改性碳纤维。3.根据权利要求1所述的一种碳陶纳米材料制备方法，其特征在于：所述的硅烷改性陶瓷纳米粒子的制备包括以下步骤：A. 陶瓷纳米粒子的羟基化：将陶瓷纳米粒子分散于酸溶液中进行羟基化反应，然后过滤冲洗，得到羟基化的陶瓷纳米粒子；B. 硅烷偶联剂包覆陶瓷纳米粒子：将陶瓷纳米粒子与硅烷偶联剂反应，得到硅烷偶联剂包覆的硅烷改性陶瓷纳米粒子。4.根据权利要求2所述的一种碳陶纳米材料制备方法，其特征在于：步骤A中，所述酸溶液包括体积比为1:1~5的浓硫酸和双氧水，所述碳纤维和硫酸溶液的固液质量比为1:10~50，羟基化反应10~24小时；步骤B中，所述硅烷偶联剂为环氧基硅烷偶联剂为（3
‑
缩水甘油基氧基丙基）三甲氧基硅烷（GPTMS）...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐中华，李洪飞，
申请(专利权)人：杭州蓝碳新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：