一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法，属于导热复合材料制备技术领域。所述导热复合材料由导热填料层和聚合物层交替并经热压形成。通过真空抽滤的方式将表面功能化后的片状导热填料沉积在静电纺丝制备的聚合物纤维毡上，经过多层的层叠并热压制备出具有三明治结构的复合材料。表面功能化的片状导热填料提高了与聚合物基体之间的相容性，降低了导热填料间以及导热填料与基体间的界面热阻。凭借在聚合物基体中构建连续的导热填料层，高效地提升了聚合物基导热复合材料的导热性能。本发明专利技术所述的具有三明治结构的聚合物基导热复合材料还具有良好的柔韧性和力学强度，在电子元器件、通讯设备等散热领域具备广泛的应用前景。领域具备广泛的应用前景。领域具备广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法


[0001]本专利技术涉及一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法，属于导热复合材料制备


技术介绍

[0002]近年来，随着电子集成技术的快速发展，电子产品不断趋于小型化和高度集成化。这些产品高功率运行产生的热量严重影响电子元件的使用可靠性和寿命。同时，也对先进热管理材料的特性(包括优异的电绝缘性、良好的灵活性、重量轻、机械和热性能强)提出了很高的要求。相比于金属和陶瓷材料，聚合物复合材料具有质量轻、容易成型和优异的柔性，便于制备成各种形状。因此，开发具有高导热性能的聚合物复合材料具有非常大的应用价值。
[0003]与金属、无机材料相比，聚合物材料是热的不良导体，纯聚合物材料的本征热导率非常低，多数小于0.5W/(m
·
K)。研究人员通常在聚合物基体中加入各种具有高导热系数的导热填料(如碳材料、陶瓷颗粒和金属材料)来提高聚合物基复合材料的导热性能。制备具有高导热性能的聚合物基复合材料的关键是合理设计填料结构，即在聚合物基质中形成更多的填料的连续热传输路径。随着导热填料的逐渐增多，能有效的提高复合材料的热导率，但含量超过一定的阈值后增强的效果却下降，这是因为此时界面热阻成为了限制复合材料导热率提升的主要因素。
[0004]因此，研究如何将导热填料在聚合物基体合理分布并降低填料与聚合物基体间的热阻，将是提升复合材料导热性能的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的主要技术问题：针对目前制备的聚合物基导热复合材料存在填料间的团聚和填料
‑
聚合物基体间的界面热阻较大问题，本专利技术提供了一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法。所述聚合物基复合材料由导热填料层和聚合物层构成。凭借导热填料的表面功能化和在聚合物基体中构建连续的导热填料层，高效地提升了所述复合材料的导热性能。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术中，所述聚合物层为经过溶液静电纺丝制备的聚合物纤维毡。
[0008]所述聚合物纤维毡中的聚合物选用聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯。聚酰亚胺、聚苯乙烯中的一种或多种。
[0009]本专利技术中，导热填料层为将导热填料分散液通过真空抽滤沉积在聚合物纤维毡表面制备得到的。
[0010]本专利技术中导热填料为表面功能化的片状结构导热填料。
[0011]所述片状结构导热填料选用氮化硼纳米片、石墨片、氧化石墨烯纳米片、氮化物(MXene)中的一种或多种。
[0012]所述表面功能化指多巴胺经自聚合为聚多巴胺，在片状结构填料表面包覆一层聚多巴胺层。
[0013]本专利技术中，所述一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料中导热填料的添加质量为10
‑
40wt％。
[0014]本专利技术还涉及一种上述具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法，所述制备方法包括如下步骤；
[0015]步骤一：将聚合物溶解于溶剂A中形成纺丝溶液，纺丝溶液经静电纺丝制备为聚合物纤维毡。
[0016]步骤二：将表面功能化的片状结构导热填料分散在溶剂B中通过真空抽滤沉积在步骤一制备的聚合物纤维毡表面，得到复合纤维毡。
[0017]步骤三:将所述复合纤维毡经过层层堆叠并干燥后，在高于聚合物熔点或者软化点温度热压成型，退火后得到所述具有三明治结构的聚合物基导热复合材料。
[0018]步骤一中，所述溶剂A包括去离子水、丙酮、四氢呋喃、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺和乙酸乙酯中的一种或者几种。
[0019]步骤一中，纺丝电压为15
‑
30kV，纺丝距离为15
‑
20cm，温度为20
‑
25℃，环境湿度为20％～50％。
[0020]步骤一中，聚合物纺丝溶液浓度为8
‑
15wt％，纺丝容量为0.6
‑
1.0ml。
[0021]步骤二中，所述溶剂B需要遵循为步骤一中聚合物不良溶剂的原则，包括异丙醇、丙酮、乙醇和三氯甲烷中的一种或者几种。
[0022]步骤二中，所述表面功能化采用聚多巴胺包覆：在pH为8.5的片状导热填料分散溶液中加入多巴胺，多巴胺聚合形成聚多巴胺并包覆在片状导热填料表面；多巴胺与片状导热填料的质量比为1:1
‑
2:1。
[0023]本专利技术通过真空抽滤的方式将表面功能化的片状导热填料沉积在静电纺丝制备的聚合物纤维毡上，经过多层的堆叠并热压制备出具有三明治结构的复合材料。表面功能化的片状导热填料提高了导热填料与聚合物基体之间的相容性，同时还降低了导热填料间以及导热填料与聚合物基体间的界面热阻，从而提高了聚合物基复合材料的导热性。得益于在聚合物基体中直接构建导热填料热传导路径，在实施例一中聚合物基复合材料表面功能化后的片状导热填料含量为35wt％时，平面热导率高达16.6W/(m
·
K)。同时，聚合物基复合材料还表现出高于10
14
Ω
·
cm的体电阻率，和23MPa的良好拉伸强度。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例所制备的纤维毡的SEM图；
[0025]图2为本专利技术实施例所制备的聚合物基导热复合材料的截面SEM图；
[0026]图3为本专利技术实施例所制备的聚合物基导热复合材料的热导率；
[0027]图4为本专利技术实施例所制备的聚合物基导热复合材料和纯聚乙烯醇材料作为LED灯组热界面散热材料进行实际散热效果对比实验时LED灯表面最高温度变化数据；
[0028]图5为本专利技术实施例所制备的聚合物基导热复合材料和纯聚乙烯醇材料的体电阻率；
[0029]图6为本专利技术实施例所制备的聚合物基导热复合材料的应力应变曲线。
具体实施方式
[0030]为了更充分的解释本专利技术一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法，提供下述制备方法的具体实施例，但是本专利技术并不限于这些实施例。实施例选用片状导热填料氮化硼纳米片和聚合物聚乙烯醇为例。
[0031]实施例：
[0032](1)制备表面包覆聚多巴胺层的氮化硼纳米片(BNNS@PDA)：首先将0.4g粒径为2μm的氮化硼纳米片(BNNS)加入装有300ml去离子水的烧杯中通过超声30min充分分散，然后加入0.3g三羟甲基氨基甲烷(Tris)并滴加9ml HCl溶液(0.1M)使溶液pH调节至8.5；接下来，将分散有BNNS的分散液在60℃下搅拌并加入0.6g多巴胺(DA)后，反应保持12小时，DA聚合形成聚多巴胺(PDA)并包覆在BNNS表面,过滤收集BNNS@PDA并在60℃下干燥12小时。
[0033](2)制备聚乙烯醇(PVA)静电纺丝纤维毡：将分子量为20万的PVA颗粒以8wt％的质量分数加入去离子水中，接着在90℃下连续本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法，其特征在于：所述聚合物基复合材料由导热填料层和聚合物层交替并热压形成；具体如下：所述聚合物层为经过溶液静电纺丝制备的聚合物纤维毡；所述聚合物纤维毡中的聚合物选用聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯中的一种或多种；所述导热填料层为将导热填料分散液通过真空抽滤沉积在聚合物纤维毡表面制备得到的；所述导热填料为表面功能化的片状结构导热填料；所述片状结构导热填料选用氮化硼纳米片、石墨片、氧化石墨烯纳米片、氮化物(MXene)中的一种或多种；所述表面功能化是多巴胺经自聚合为聚多巴胺，在片状结构填料表面包覆一层聚多巴胺层；所述一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料中导热填料的添加质量为10
‑
40wt％。2.根据权利要求1所述的一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤；步骤一：将聚合物溶解于溶剂A中形成纺丝溶液，纺丝溶液经静电纺丝制备为聚合物纤维毡；步骤二：将表面功能化的片状结构导热填料分散在溶剂B中，通过真空抽滤沉积在步骤一制备的聚合物纤维毡表面，得到复合纤维毡；步骤三:将所述复合纤维毡经过层层堆叠并干燥后，在高于聚合物熔点或者软化点温度热压成型，退火后得到所述具有三明治结构的聚合物基导热复合材料。3.根据权利要求1所述的一种具有三明治结构的聚合物基导热复合材料制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，周建伟，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：