一种高导热绝缘聚合物复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导热绝缘聚合物复合材料，包括以下组分及质量百分含量：聚偏氟乙烯60-90%，杂化物填料10-40%；所述杂化物填料为陶瓷类导热填料-石墨烯杂化物，所述石墨烯和陶瓷类导热填料的质量比为1:2-200。本发明专利技术还包括上述高导热绝缘聚合物复合材料的制备方法。本发明专利技术采用静电自组装途径获得含陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物，再通过原位还原得到绝缘高热导率聚合物复合材料，与传统的溶剂共混法相比，热导率提高明显。本发明专利技术的三明治结构杂化物不仅可以形成导热通路，而且能够维持复合材料的绝缘性。因而复合材料在低填料掺量下具有很高的热导率、绝缘性，具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于导热绝缘材料
，尤其涉及一种高导热绝缘聚合物复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着微电子集成与组装技术的迅猛发展和电力电气绝缘领域对电压的高要求以及电子器件要求大幅提高使用寿命，散热性能成为各界关注的焦点。因此迫切需要研制具备绝缘高导热性能的聚合物材料。聚偏氟乙烯作为氟树脂中除聚四氟乙烯外的第二大品种，在化工、建筑、军工、电子工业、防腐蚀等领域具有广泛的应用。但是，其导热系数仅为0.2ff/m *k，无法满足高温工作下及时散热的工业要求。目前提高聚偏氟乙烯导热系数比较常见的方法是通过添加绝缘高热导率的陶瓷类填料，如氮化硼、氧化铝、碳化硅等，一般需要很高的填充量才能达到提高导热系数的目的。对陶瓷类填料进行表面改性以提高聚合物基体与填料之间的界面热阻以及改善填料在聚合物基体中的分散情况是现在较多的研究方向。然而，功能化填料/聚合物复合材料的热导率仍然远低于理论值。其原因在于，即使功能化填料均匀地分散在聚合物基体中，填料之间的导热通路还是很难形成。石墨烯是近年来才被发现的二维碳素晶体。其具有优异的导热性能、力学性能、电学性能以及独特的纳米结构，如热导率(5300W/m*k)、杨氏模量(1.0lTPa)和载流子迁移率(2X105cm2/V.S)，使之成为化学、材料科学及物理学等领域的研究热点。这些优越的特性使得石墨烯具有广泛的应用前景。其中一个非常重要的应用是利用石墨烯这些性质制备高导热的聚合物复合材料。然而，石墨烯片层之间存在一定的范德华力，使其极易团聚，且由于其表面惰性使得常用的溶剂无法将其溶解并分散。此外，石墨烯在高温条件下不熔融，加工困难。另一个至关重要的问题是由于石墨烯是导电体，`对于复合材料绝缘性能有着致命的损害。也正是这一问题一直制约着石墨烯在绝缘导热方面的应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的第一目的是提供一种高导热绝缘聚合物复合材料，该复合材料含有陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物，使得在低填料掺量下，该复合材料也可获得绝缘高热导率。本专利技术的第二目的是提供上述高导热绝缘聚合物复合材料的制备方法。本专利技术的技术方案如下:一种高导热绝缘聚合物复合材料，包括以下组分及质量百分含量:聚偏氟乙烯60-90%，杂化物填料10-40%;所述杂化物填料为陶瓷类导热填料-石墨烯杂化物，所述石墨烯和陶瓷类导热填料的质量比为1:2-200。较佳地，所述石墨烯和陶瓷类导热填料的质量比优选为1:20。较佳地，所述陶瓷类导热填料-石墨烯杂化物具有三明治结构，石墨烯分布均匀且被陶瓷类导热填料纳米颗粒均匀覆盖。较佳地，所述陶瓷类导热填料选自氧化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅、氧化镁、氧化铍、氧化锌、氧化硅中的一种或几种。一种高导热绝缘聚合物复合材料的制备方法，包括以下步骤:(I)将氧化石墨烯与氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒在溶剂中通过静电自组装的方式形成凝聚物，在此溶液中加入聚偏氟乙烯，混合均匀至完全溶解聚偏氟乙烯，析出混合物,并经抽滤成膜；(2)采用还原剂还原上述复合物膜中的氧化石墨烯，反应温度为70-90° C，然后经洗涤、烘干、模压，得到高导热绝缘聚合物复合材料。较佳地，所述步骤(I)中的溶剂为二甲基甲酰胺。较佳地，所述步骤(I)具体为，首先将氧化石墨烯与氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒分别在溶剂中分散均匀，然后混合形成凝聚物并搅拌，再加入聚偏氟乙烯，在70-90° C下搅拌至聚偏氟乙烯完全溶解，将得到的混合物倒入去离子水中，将得到的絮状物抽滤成膜。较佳地,所述氧化石墨烯的浓度为0.05-0.5mg/ml,所述氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒的浓度为l-10mg/ml。较佳地，所述步骤(2)具体为，`将上述复合物膜浸泡在浓度为3-8%的还原剂溶液中原位还原氧化石墨烯，70-90 ° C反应3-5h后，用去离子水重复洗涤复合物膜，然后40-70° C真空干燥和180-220° C模压，得到高导热绝缘聚合物复合材料。较佳地，所述还原剂选自水合肼、氢碘酸、硼氢化纳、抗坏血酸或保险粉中的一种或几种。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下:第一，本专利技术以氧化石墨烯和氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒以及聚偏氟乙烯为原料，采用静电自组装途径获得含陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物，再通过原位还原得到绝缘高热导率聚合物复合材料，该复合材料具有很高的热导率，与传统的溶剂共混法相比，热导率提高明显。第二，本专利技术的陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物不仅可以使导热填料均匀地分散在聚合物基体中，石墨烯片之间相互紧密连接，形成导热通路，而且能够通过这种三明治结构维持复合材料的绝缘性。因而使得到的聚合物复合材料在低填料掺量下具有很高的热导率、绝缘性，在化工、建筑、军工、电子工业、防腐蚀等领域具有重要的应用价值。第三，本专利技术制备方法简单易操作，可控性强，可规模化放大生产。附图说明图1为本专利技术实施例1的氧化铝-石墨烯三明治结构杂化物的TEM图片；图2为本专利技术实施例1的氧化铝-石墨烯杂化物/聚偏氟乙烯复合材料的SEM图片；图3为本专利技术实施例1制备的氧化铝-石墨烯杂化物/聚偏氟乙烯复合材料与采用有机溶剂共混法制备的氧化铝-石墨烯/聚偏氟乙烯三相复合材料的热导率对比图；图4为本专利技术实施例1制备的氧化铝-石墨烯杂化物/聚偏氟乙烯复合材料在不同氧化铝与石墨烯投料比情况下体积电阻率的对比图。具体实施例方式本专利技术的高导热绝缘聚合物复合材料是以氧化石墨烯和氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒以及聚偏氟乙烯为原料，通过静电自组装以及原位还原途径得到的，该复合材料的聚合物基体中，包含陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物，该杂化物填料分布均匀且相互连接。本专利技术的高导热绝缘聚合物复合材料的制备方法主要包括以下两步骤:(I)将氧化石墨烯与氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒在溶剂中通过静电自组装的方式形成凝聚物，在此溶液中加入聚偏氟乙烯，混合均匀至完全溶解聚偏氟乙烯，析出混合物，并经抽滤成膜；作为优选的实施方式，该过程可在弱酸性条件下进行，但不限于弱酸性条件；(2)采用还原剂还原上述复合物膜中的氧化石墨烯，反应温度为70-90° C，然后经洗涤、烘干、模压，得到含陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物的高导热绝缘聚合物复合材料。上述步骤(I)中，通过静电自组装的方式形成凝聚物可控制最佳投料比，包括:首先在溶剂中按照不同投料比分散均匀氧化石墨烯和氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒，然后混合形成凝聚物并搅拌。最佳投料比为1:20。上述凝聚物中，氧化石墨烯被氨基功能化的陶瓷类导热填料纳米颗粒均匀地包覆，相互连接形成导热通路。下面结合具体实施例和附图详细描述本专利技术。实施例1本实施例中的含氧化铝-石墨烯三明治结构杂化物的高导热绝缘聚合物复合材料的制备方法如下:预处理:将Ig氧化铝纳米颗粒分散于200ml的甲苯中并加入0.1g氨基硅烷，然后在100° C回流12h，经过滤、水洗、烘干得到氨基功能化的氧化铝纳米颗粒。(I)将17.9mg氧化石墨烯和214.3mg氨基功能化的氧化铝纳米颗粒分别分散在IOOml 二甲基甲酰胺溶液中，超声并搅拌30min至完全分散，然后，在搅拌调节下，将上述两种溶液同时缓慢逐滴加入到一个空容器中，氧化石墨烯和氨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热绝缘聚合物复合材料，其特征在于，包括以下组分及质量百分含量：聚偏氟乙烯??60?90%，杂化物填料??10?40%；所述杂化物填料为陶瓷类导热填料?石墨烯杂化物，所述石墨烯和陶瓷类导热填料的质量比为1:2?200。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钱荣，江平开，吴超，黄兴溢，韩倩琰，翟星，吴新锋，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：