氮化硼高導(dǎo)熱絕緣材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮化硼高導(dǎo)熱絕緣材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明提供的氮化硼絕緣材料，包括芳綸纖維、沉析纖維、云母和用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼。本發(fā)明提供的氮化硼高導(dǎo)熱纖維云母絕緣材料，具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高強(qiáng)度、加工性強(qiáng)、以及高物理性、耐化學(xué)性等特點(diǎn)，且抗沖擊、耐化學(xué)腐蝕、耐熱疲勞性能優(yōu)異，可在高端絕緣復(fù)合材料方面使用。
【專利說明】氮化硼高導(dǎo)熱絕緣材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化硼高導(dǎo)熱絕緣材料及其制備方法與應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成技術(shù)、組裝技術(shù)的發(fā)展，電子元器件、邏輯電路的體積越來越小，需要散熱性好的高導(dǎo)熱絕緣材料；隨著大功率電氣、電子產(chǎn)品等的快速發(fā)展，必然出現(xiàn)越來越多的發(fā)熱問題。大中型高壓發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的發(fā)熱、傳熱、冷卻直接影響到工作效率、使用壽命、可靠性等重要指標(biāo)。隨著高分子材料在各行業(yè)應(yīng)用的日漸普及，人們對(duì)其綜合性能的要求不斷提高。電子電氣材料領(lǐng)域急需導(dǎo)熱絕緣材料來散發(fā)集成電路中產(chǎn)生的大量熱，使電子元件在合適的溫度下穩(wěn)定工作、延長(zhǎng)使用壽命。導(dǎo)熱絕緣材料用于電機(jī)行業(yè)時(shí)，可有效地降低電機(jī)繞組的溫升，減小電機(jī)體積并增大功率輸出。到目前為止，還沒有一種高分子材料能同時(shí)具有導(dǎo)熱性和絕緣性，國(guó)內(nèi)外的研究都集中于將某種導(dǎo)熱絕緣無機(jī)填料摻雜到具有特定要求的高分子材料中，得到高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料，但效果不顯著。新型的散熱絕緣材料已成為現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)研究的重點(diǎn)方向之一。
[0003]現(xiàn)微電子集成技術(shù)和組裝技術(shù)都在高速發(fā)展，組裝密度迅速提高，電子元件、邏輯電路體積成千上萬倍地縮小，電子儀器日益輕薄短小化，而工作頻率急劇增加，半導(dǎo)體熱環(huán)境向高溫方向迅速變化。此時(shí)電子設(shè)備所產(chǎn)生的熱量迅速積累、增加，在使用環(huán)境溫度下要使電子元器件仍能高可靠地正常工作，及時(shí)散熱能力成為影響其使用壽命的重要限制因素，為保障元器件運(yùn)行的可靠性。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)導(dǎo)熱材料提出了更高要求，除導(dǎo)熱性外，更需要材料具有優(yōu)良的綜合性能，如質(zhì)輕、易加工成型、抗沖擊、耐化學(xué)腐蝕、熱疲勞性能優(yōu)異、優(yōu)良電絕緣性能及化學(xué)穩(wěn)定性等。傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料如金屬和金屬氧化物及其它金屬材料已無法滿足一些特殊場(chǎng)合的絕緣導(dǎo)熱使用要求，如電池屏蔽、電子信息、熱工測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】廣泛使用的功率管、集成塊、熱管、集成電路、覆銅板的絕緣導(dǎo)熱，也無法作為武器裝備、航空航天電子設(shè)備、電機(jī)、通訊、電器設(shè)備、儀器所需的導(dǎo)熱絕緣材料使用。因此，急需研制具有可靠性、高散熱性的綜合性能優(yōu)異的導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料替代傳統(tǒng)高分子材料，作為熱界面和封裝材料。迅速將熱元件的熱量傳遞給散熱設(shè)備，保障電子設(shè)備正常運(yùn)行。所以高導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料則是散熱設(shè)計(jì)中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的研究開發(fā)具有重要意義。
[0004]對(duì)于絕緣材料，由于沒有電子流的運(yùn)達(dá)，他們的導(dǎo)熱性要比金屬材料相差500—1000倍，到目前為止，還沒有一種高分子材料同時(shí)具有好的導(dǎo)熱性和絕緣性。目前國(guó)外高導(dǎo)熱的絕緣方式仍是摻混型的，就是將某種又導(dǎo)熱又絕緣的無機(jī)填料摻混到具有特定要求的絕緣材料中。
[0005]然而如何利用各種手段使導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)最大程度上形成并達(dá)到有效的熱傳導(dǎo)，獲得高導(dǎo)熱性體系，許多研究者曾提出各種模型對(duì)不同形狀填料(粉末、粒子、纖維等)填充的導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱率進(jìn)行預(yù)測(cè)。認(rèn)為，在那些填充的聚合物體系中，若所有的填充粒子聚集形成的傳導(dǎo)塊與聚合物傳導(dǎo)塊在熱流方向上是成行的，則復(fù)合材料導(dǎo)熱率最高；若是成列的，則復(fù)合材料的導(dǎo)熱率為最低。其實(shí)要提高材料的熱導(dǎo)率，必須使高導(dǎo)率絕緣填料在聚合物中形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而形成導(dǎo)熱通道。然而，生產(chǎn)工藝上達(dá)不到這樣理想的分布與排列，這不僅需要從復(fù)合材料整體設(shè)計(jì)考慮，還要設(shè)計(jì)成型加工工藝過程。國(guó)內(nèi)外的研究都頗多，但至今仍未成型技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種氮化硼高導(dǎo)熱絕緣材料及其制備方法與應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明提供的氮化硼絕緣材料，包括芳綸纖維、沉析纖維、云母和用聚苯硫醚(PPS)處理后的顆粒狀氮化硼。
[0008]上述氮化硼絕緣材料也可只由上述組分組成。
[0009]其中，所述芳綸纖維為聚間苯二甲酰間苯二胺纖維(簡(jiǎn)稱芳綸1313纖維)或聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維(簡(jiǎn)稱芳綸1414纖維)；
[0010]所述芳綸纖維的纖度為I~2d，長(zhǎng)度為2~1mm ；
[0011]所述沉析纖維為1313沉析纖維或1414沉析纖維；
[0012]所述云母為非煅燒型云母或煅燒型云母；其中，所述非煅燒型云母為金云母、白云母或人工晶體云母；(將精選的云母碎片，經(jīng)高溫煅燒脫去云母結(jié)構(gòu)中的部分結(jié)晶水，使云母碎片沿垂直于解理面的方向膨脹，質(zhì)地變軟)；
[0013]所述云母的粒度為20-120目；
[0014]由于氮化硼屬于非極性產(chǎn)品，很難浸潤(rùn)，以氮化硼純品為原料所得氮化硼絕緣材料成品，由于碳化硼在水中分散性比較差，無法形成均勻的分布，故必須對(duì)氮化硼純品用PPS處理后才能使用。
[0015]所述用聚苯硫醚處理后的氮化硼是按照包括如下步驟的方法制備而得:將氮化硼與質(zhì)量百分濃度為1-5%的聚苯硫醚的聯(lián)苯溶液以質(zhì)量比為1:1的比例共混1-10分鐘后，過濾，干燥而得；
[0016]所述用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)為10W/m.Κ,粒徑為5-80 μ m。
[0017]所述芳綸纖維、沉析纖維、云母和用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼的質(zhì)量比為
1-10:2-20:50-90:5_30。
[0018]本發(fā)明提供的制備前述氮化硼絕緣材料的方法，包括如下步驟:
[0019]I)將所述芳綸纖維在水碎設(shè)備中進(jìn)行打漿處理后，再用金屬盤磨進(jìn)行帚化處理，得到分絲帚化的芳綸纖維，其叩解度為50-80oSR ；
[0020]2)將所述沉析纖維在水碎設(shè)備中進(jìn)行打漿處理后，再用金屬盤磨進(jìn)行帚化處理，得到分絲帚化的沉析纖維，其叩解度為50-80oSR ；
[0021]3)將步驟I)所得分絲帚化的芳綸纖維、步驟2)所得分絲帚化的沉析纖維、所述云母、所述用聚苯硫醚(PPS)處理后的顆粒狀氮化硼和水混勻后，脫除水分，得到所述氮化硼絕緣材料。
[0022]上述方法步驟I)中，先將芳綸纖維先進(jìn)行打漿處理，然后經(jīng)過盤磨對(duì)芳綸施加機(jī)械力，從而增加了芳綸纖維的比表面積，使芳綸分子中的極性基團(tuán)更多地裸露出來，Zeta電位相應(yīng)地提高,可由30mV提高至70mV ;此外，經(jīng)過如上處理后，芳綸纖維在水的懸浮液中的分散性得到改善。步驟2)中的沉析纖維經(jīng)過如上處理，Zeta電位相應(yīng)地提高，可由-32mV提聞至68mV ；
[0023]步驟2)所得分絲帚化的沉析纖維的叩解度具體可為60oSR ；
[0024]所述步驟3)中，當(dāng)芳綸纖維與云母和氮化硼導(dǎo)熱材料混合時(shí)，芳綸纖維所產(chǎn)生的電荷以及范德華力使纖維對(duì)云母鱗片以及導(dǎo)熱材料具有極強(qiáng)的吸附力，使高導(dǎo)熱材料在纖維和云母間排布均勻并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0025]上述方法可通過1094圓網(wǎng)紙機(jī)應(yīng)用造紙的方式進(jìn)行抄造一次成型。同時(shí)根據(jù)客戶需求可對(duì)紙張表面熱壓處理，調(diào)整孔隙、滲透率及紙張厚度。根據(jù)需求可采用不同配比，滿足下游產(chǎn)品的制造工藝要求。
[0026]另外，含有本發(fā)明提供的氮化硼絕緣材料的電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設(shè)備或發(fā)動(dòng)機(jī)及該氮化硼絕緣材料在制備電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設(shè)備或發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用 ，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]由于芳綸纖維和氮化硼導(dǎo)熱材料都是非極性材料，不溶于水。云母比重大，易沉底。若直接將芳綸纖維、云母、沉析纖維、氮化硼導(dǎo)熱材料混合是分散不均勻的。必須按照本發(fā)明提供的方法，先將芳綸纖維進(jìn)行電動(dòng)電勢(shì)處理后再通過特制盤磨技術(shù)進(jìn)行帚化處理，使得芳綸纖維表面電荷增強(qiáng)，比表面積增大，加上范德華力的作用，使氮化硼導(dǎo)熱材料在芳綸纖維與云母之間緊密結(jié)合，形成導(dǎo)熱通道。整個(gè)工藝流程采用物理方式處理，不添加任何化學(xué)物品，使各種原料均勻分散于水中，無流失。
[0028]本發(fā)明提供的氮化硼高導(dǎo)熱纖維云母絕緣材料，具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高強(qiáng)度、加工性強(qiáng)、以及高物理性、耐化學(xué)性等特點(diǎn)，且抗沖擊、耐化學(xué)腐蝕、耐熱疲勞性能優(yōu)異，可在高端絕緣復(fù)合材料方面使用。目前，這種高導(dǎo)熱芳綸纖維云母絕緣材料制造工藝在國(guó)內(nèi)外還未見報(bào)道。該絕緣材料革新了導(dǎo)電導(dǎo)熱、絕緣絕熱的常規(guī)產(chǎn)品理論，而是真正做到了導(dǎo)熱絕緣，實(shí)現(xiàn)了理論上的導(dǎo)熱通道，可謂是絕緣行業(yè)的一次重大革命，而且產(chǎn)品還積聚了芳綸與云母的各種特性，產(chǎn)品加工性好，是一種新型高導(dǎo)熱絕緣高分子材料，可廣泛應(yīng)用于高端電子、微電子集成領(lǐng)域，以及各種大型電氣設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)、民用或其他特殊用途等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為氮化硼絕緣材料的制備工藝流程示意圖。
[0030]圖2為氮化硼絕緣材料的橫切面電鏡照片。
[0031]圖3為氮化硼絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。
[0033]下述實(shí)施例所用各材料的購(gòu)買出處如下:
[0034]芳綸1313纖維:新會(huì)彩艷股份有限公司生產(chǎn)，纖度為I~2d，長(zhǎng)度為2~1mm ;
[0035]芳綸1414纖維:日本帝人公司生產(chǎn)或晨光化工研究院生產(chǎn)，纖度為I~2d，長(zhǎng)度為2~1mm ;
[0036]1313沉析纖維:新會(huì)彩艷股份有限公司生產(chǎn)；
[0037]1414沉析纖維:日本帝人公司；
[0038]白云母:雅安蔚萊特公司，粒度為100目；
[0039]氮化硼:日本東槽公司
[0040]實(shí)施例1
[0041]I)氮化硼的預(yù)處理:
[0042]將25重量份的純氮化硼制成比表面積大的晶須狀，然后將氮化硼與質(zhì)量百分濃度為2%的PPS的聯(lián)苯溶液以1:1的質(zhì)量比共混5分鐘后，過濾，高溫下進(jìn)行干燥，得到導(dǎo)熱系數(shù)10W/m.K、粒徑為5-80 μ m的顆粒狀氮化硼；
[0043]2)將5重量份的芳綸1313纖維在水碎設(shè)備中進(jìn)行打漿處理后，再用金屬盤磨進(jìn)行帚化處理，得到分絲帚化的芳綸纖維，其叩解度為50oSR ；
[0044]3)將10重量份的1313沉析纖維在水碎設(shè)備中進(jìn)行打漿處理后，再用高速旋轉(zhuǎn)的金屬盤磨進(jìn)行帚化處理5分鐘，得到分絲帚化的沉析纖維，其叩解度為60oSR ；
[0045]表1、芳綸處理后Zeta電位對(duì)比表
[0046]

【權(quán)利要求】
1.一種氮化硼絕緣材料，包括芳綸纖維、沉析纖維、云母和用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣材料，其特征在于:所述氮化硼絕緣材料由所述芳綸纖維、沉析纖維、云母和用聚苯硫醚處理后的氮化硼組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣材料，其特征在于:所述芳綸纖維為聚間苯二甲酰間苯二胺纖維或聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維； 所述芳綸纖維的纖度為I~2d，長(zhǎng)度為2~1mm ; 所述沉析纖維為1313沉析纖維或1414沉析纖維； 所述云母為非煅燒型云母或煅燒型云母；其中，所述非煅燒型云母為金云母、白云母或人工晶體云母； 所述云母的粒度為20-120目； 所述用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼是按照包括如下步驟的方法制備而得:將氮化硼與質(zhì)量百分濃度為1-5%的聚苯硫醚的聯(lián)苯溶液以質(zhì)量比為1:1的比例共混1-10分鐘后，過濾，干燥而得； 所述用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)為10W/m.K，粒徑為5-80 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于:所述芳綸纖維、沉析纖維、云母和用聚苯硫醚處理后的顆粒 狀氮化硼的質(zhì)量比為1-10:2-20:50-90:5_30，具體為5:10:60:25。
5.一種制備權(quán)利要求1-4任一所述氮化硼絕緣材料的方法，包括如下步驟: 1)將所述芳綸纖維在水碎設(shè)備中進(jìn)行打漿處理后，再用金屬盤磨進(jìn)行帚化處理，得到分絲帚化的芳綸纖維，其叩解度為50-80oSR ； 2)將所述沉析纖維在水碎設(shè)備中進(jìn)行打漿處理后，再用金屬盤磨進(jìn)行帚化處理，得到分絲帚化的沉析纖維，其叩解度為50-80oSR ； 3)將步驟I)所得分絲帚化的芳綸纖維、步驟2)所得分絲帚化的沉析纖維、所述云母、所述用聚苯硫醚處理后的顆粒狀氮化硼和水混勻后，脫除水分，得到所述氮化硼絕緣材料。
6.含有權(quán)利要求1-4任一所述氮化硼絕緣材料的電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設(shè)備或發(fā)動(dòng)機(jī)。
7.權(quán)利要求1-4任一所述氮化硼絕緣材料在制備電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設(shè)備或發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C08K13/06GK104072988SQ201410272665
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】肖東華, 林德苗, 陶世毅 申請(qǐng)人:深圳昊天龍邦復(fù)合材料有限公司