高导热性能的有机硅粘结剂及提高元器件散热性能的方法

技术领域

本发明涉及有机硅技术领域，具体涉及一种高导热性能的有机硅粘结剂以及提高元器件散热性能的方法。

背景技术

在电子领域、照明领域中，需要用到各种粘结剂来固定元器件或灯具组件。硅橡胶是主链由硅和氧原子交替排列，硅原子上通常连有两个有机基团的橡胶。构成硅橡胶主链的硅氧键的性质决定了硅橡胶具有天然橡胶及其他橡胶所不具备的优点。例如：具有广泛的工作温度范围，优异的耐高低温性能、热稳定性、耐腐蚀性、电绝缘性能与透气性等。

现有技术中的有机硅粘结剂一般重点考虑粘结性，现有导热硅脂主要存在导热率低、对高持续发热芯片的导热效果不好的缺点。而在电子领域、照明领域等很多领域对于有机硅胶的导热率都具有明确要求，需要较高的导热能力，能提高元器件的散热效率，同时又对元器件起粘结固定保护作用。

因此，研制出一种具有优异的粘结性能和导热性能的有机硅粘结剂能成为迫切需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有高导热性能和粘结性能的有机硅粘结剂以及提高元器件散热性能的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

第一方面，提供一种高导热性能的有机硅粘结剂，包括以下重量份的组分：二羟基聚二甲基硅氧烷60-80份；含环氧基团硅氧烷10-30份；交联剂15-25份；改性氧化石墨烯5-10份；所述改性氧化石墨烯为采用表面改性剂改性后的氧化石墨烯。

本发明的有机硅粘结剂中，含环氧基团硅氧烷和改性氧化石墨烯在交联剂的作用下互相结合形成环状导热结构，环状导热结构与二羟基聚二甲基硅氧烷结合后，能提高有机硅粘结剂的整体导热性能。同时本申请的有机硅粘结剂的粘结性能也明显提高，其原理可能是：改性氧化石墨烯在交联体系中促进了含环氧基团硅氧烷和二羟基聚二甲基硅氧烷之间的相互作用，从而提高了有机硅粘结剂的粘结性能。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述含环氧基团硅氧烷为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述交联剂为甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷中的至少一种；优选地，所述交联剂为甲基三甲氧基硅烷和/或甲基三乙氧基硅烷，更优选地，所述交联剂为甲基三甲氧基硅烷。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述表面改性剂为十六烷基溴化铵、硅烷偶联剂、异氰酸酯中的至少一种；优选地，所述表面改性剂为十六烷基溴化铵或硅烷偶联剂，更优选地，所述表面改性剂为硅烷偶联剂。

本申请中对交联剂没有做特殊限定，所述交联剂主要起到交联固化作用。

本发明中的改性氧化石墨烯可根据本领域已知的表面改性剂及改性方法制备而成。

例如，作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述改性氧化石墨烯的制备方法为：

将氧化石墨烯分散于溶剂中，得到氧化石墨烯胶体；

边搅拌边往氧化石墨烯胶体中加入表面改性剂；

反应后经过滤、洗涤干燥、研磨过筛得到改性氧化石墨烯。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述溶剂为丙酮、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、甲苯中的至少一种；优选地，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和/或甲苯。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述改性氧化石墨烯的制备方法中，将氧化石墨烯分散于溶剂中时可采用超声提高分散程度，超声分散时间为1-5h，更优选为1-2h。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述改性氧化石墨烯的制备方法中，氧化石墨烯中与表面改性剂的反应温度为55-105℃，反应时间为3-6h；更优选的反应温度为60-75℃，反应时间为4-5h。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述改性氧化石墨烯的制备方法中，氧化石墨烯中与表面改性剂的体积比为1:10～15。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述改性氧化石墨烯的制备方法中，洗涤步骤为采用去离子水洗涤3-6次，优选为4-5次。

本发明通过优选制备改性氧化石墨烯的各项参数，以获得性能稳定的改性氧化石墨烯，以进一步提高有机硅粘结剂的导热性能和粘结性能。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述有机硅粘结剂还包括50-100重量份的填料；所述填料为硅微粉、氧化铝、氢氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化铝中的至少一种。

本发明对所述填料的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述硅硅微粉、氧化铝、氢氧化铝、氧化锌、氧化镁和氮化铝的市售商品即可。

本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的填料。

作为本发明所述有机硅粘结剂的优选实施方式，所述有机硅粘结剂还包括1-5重量份的催化剂；所述催化剂为钛酸四异丙酯。

本发明的有机硅粘结剂中，催化剂主要起到加快交联固化的作用。

本发明有机硅粘结剂中的各组分的用量可根据上述限定进行调整，例如：

二羟基聚二甲基硅氧烷包括但不限于：60份、62份、64份、65份、66份、68份、70份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份、80份等。

含环氧基团硅氧烷包括但不限于：10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份、30份等。

交联剂包括但不限于：15份、15.5份、16份、17份、17.8份、18份、18.6份、19份、19.4份、20份、21份、21.5份、22份、23份、23.5份、24份、25份等。

改性氧化石墨烯包括但不限于：5份、5.3份、5.8份、6份、6.7份、7份、7.5份、8份、8.8份、9份、9.1份、9.6份、10份等。

本发明的有机硅粘结剂可以通过本领域已知的任何合适的方法制备。例如，可使用本领域中常用的搅拌机来制备。具体为：

1)将二羟基聚二甲基硅氧烷、改性氧化石墨烯、含环氧基团硅氧烷、填料搅拌混合后，进行真空脱水，得到混合物；

2)将步骤1)得到的混合物与有机硅交联剂、催化剂进行混合搅拌，得到有机硅粘结剂。

在申请中，上述真空脱水的真空度优选为-0.06MPa～-0.15MPa，更优选为-0.05MPa～-0.1MPa；上述真空脱水的温度优选为100℃～150℃；上述真空脱水的时间优选为60min～120min，更优选为80min～100min。上述混合搅拌过程中搅拌机的转速为25HZ～35HZ，更优选为30HZ～32HZ。

如有必要，在混合前还可放入研磨机研磨，保证后续混合的均匀度。

第三方面，提供所述的有机硅粘结剂在制备导热相变材料中的应用。

第四方面，提供一种提高元器件散热性能的方法，所述方法为：采用所述的有机硅粘结剂对元器件进行固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的有机硅粘结剂中，含环氧基团硅氧烷和改性氧化石墨烯在交联剂的作用下互相结合形成环状导热结构，环状导热结构与二羟基聚二甲基硅氧烷结合后，能提高有机硅粘结剂的整体导热性能。同时本申请的有机硅粘结剂的粘结性能也明显提高，其原理可能是：改性氧化石墨烯在交联体系中促进了含环氧基团硅氧烷和二羟基聚二甲基硅氧烷之间的相互作用，从而提高了有机硅粘结剂的粘结性能。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施所涉及的实验试剂及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂及仪器。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本申请实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请实施例。如在本申请实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

本申请实施例中的组分均按重量份数计；本申请实施例中的原料均可通过市售购得。

实施例1

本实施例用于说明本发明中改性氧化石墨烯的制备

改性氧化石墨烯由以下步骤制备而得：

将氧化石墨烯分散在N,N-二甲基甲酰胺中，超声分散2h，得到氧化石墨烯胶体；

在机械搅拌下在氧化石墨烯中加入十六烷基溴化铵、硅烷偶联剂KH560或异氰酸酯，在75℃反应4h后，然后去离子水洗涤4-5次，干燥后研磨过筛即得改性氧化石墨烯。

上述制备方法中，氧化石墨烯中与表面改性剂的体积比为1:15，氧化石墨烯中与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:8。

实施例2-7和对比例1-3

实施例和对比例的有机硅粘结剂的组分及重量份选择如表1所示，其中，表1中的改性氧化石墨烯为实施例1制备得到的改性氧化石墨烯；实施例2-7和对比例1-3的有机硅粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：将二羟基聚二甲基硅氧烷、改性氧化石墨烯、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、填料搅拌混合后，在真空度-0.1MPa、温度100℃下进行真空脱水90min，降温至45℃以下，得到混合物；

S1：将步骤S1所得混合物与有机硅交联剂、催化剂进行常压混合搅拌，得到有机硅粘结剂；

其中，步骤S1和步骤S2中的混合搅拌过程中搅拌机的转速为25HZ～35HZ。

表1

性能测试

将实施例及对比例制备得到的有机硅粘结剂进行性能测试。

(1)按照《ISO 22007-2-2015塑料导热率和热扩散率的测定》中所述的测试方法测定有机硅粘结剂的导热系数；

(2)按照《GB/T7124-2008胶粘剂拉伸剪切强度的测定》中所述的测试方法测定有机硅粘结剂的PC/PC剪切强度。

测试结果如表2所示；

表2

根据表2的测试结果可得，实施例2-7通过采用γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和改性氧化石墨烯，γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和改性氧化石墨烯在交联剂的作用下互相结合形成环状导热结构，环状导热结构与二羟基聚二甲基硅氧烷结合后，能提高有机硅粘结剂的整体导热性能。

进一步结合剪切强度的测试结果，本申请的有机硅粘结剂的剪切强度也明显提高，其原理可能是：改性氧化石墨烯在交联体系中促进了γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和二羟基聚二甲基硅氧烷之间的相互作用，从而提高了有机硅粘结剂的粘结性能。

通过对比实施例4和对比例1-2，对比例1-2在缺少γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷或改性氧化石墨烯时，对比例1-2的导热系数明显降低，这可能是因为需要γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和改性氧化石墨烯的互相作用，才能形成导热效果更好的环状导热结构。同时，对比实施例4和粘结剂8，粘结剂8在缺少改性氧化石墨烯时，其剪切强度也明显下降，这可能是改性氧化石墨烯在交联体系中还能促进γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷和二羟基聚二甲基硅氧烷之间的相互作用，从而提高了有机硅粘结剂的粘结性能。

进一步地，对比例3中采用氧化石墨烯替换实施例4中的改性氧化石墨烯，从上述实验结果可以看出，氧化石墨烯的加入，对比例3的导热系数相对对比例1-2有所提升，但与实施例4相比，其导热系数还是明显降低。原因可能是在对比例3的体系中，氧化石墨烯无法与γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷相互结合，从而无法有效提高对比例3的导热系数。

综上所述，本申请提供的有机硅粘结剂中，含环氧基团硅氧烷和改性氧化石墨烯在交联剂的作用下互相结合形成环状导热结构，环状导热结构与二羟基聚二甲基硅氧烷结合后，能提高有机硅粘结剂的整体导热性能。同时本申请的有机硅粘结剂的粘结性能也明显提高，其原理可能是：改性氧化石墨烯在交联体系中促进了含环氧基团硅氧烷和二羟基聚二甲基硅氧烷之间的相互作用，从而提高了有机硅粘结剂的粘结性能。

最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。