CN109909494B

CN109909494B - 一种高导热粉体及其制备方法和应用

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Publication number: CN109909494B
Application number: CN201910195327.1A
Authority: CN
Inventors: 刘伟德; 金天辉; 许进; 程裕鑫
Original assignee: Kunshan Zhongdi Materials Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Zhongdi New Material Technology Co., Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109909494A

Abstract

本发明涉及材料加工领域，具体而言，涉及一种高导热粉体及其制备方法和应用。一种高导热粉体，其具有内部为铝、外表面为氧化铝层的粉体结构，所述高导热粉体的球度为88％以上。本发明提供的高导热粉体，外层为氧化铝层，内部为铝，铝的导热系数为300W/(m·K)，远高于氧化铝的30W/(m·K)，使得本发明的高导热粉体既具备良好的绝缘性能，并且具备良好的导热性能。

Description

一种高导热粉体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料加工领域，具体而言，涉及一种高导热粉体及其制备方法和应用。

背景技术

业内常用的导热率在6W/(m·K)以上的高导热硅胶片，其中常会加入碳化硅、氮化硼、氮化铝、碳纳米管、石墨烯等一种或多种填料来提升导热性能，此类填料价格十分昂贵，碳化硅、氮化硼、氮化铝添加量在 10％-50％，价格在300元/kg以上，其中石墨烯、碳纳米管添加量在1％-5％，单价在2000元/kg以上；以此种方式制备的高导热硅胶片，每kg价格不低于150元，极大限制了高导热硅胶片的发展。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高导热的导热粉体制备技术，以解决现有技术中存在的成本高极高，推广难度大的技术问题。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种高导热粉体，其具有内部为铝、外表面为氧化铝层的粉体结构，所述高导热粉体的球度为88％以上。

本发明提供的高导热粉体，外层为氧化铝层，内部为铝，铝的导热系数为300W/(m·K)，远高于氧化铝的30W/(m·K)，使得本发明的高导热粉体既具备良好的绝缘性能，并且具备良好的导热性能。

进一步地，所述高导热粉体的外表面消除羟基。

通过消除粉体表面残留的羟基，提升粉体在油性体系中的填充量。

本发明还提供了上述的高导热粉体的制备方法，包括以下步骤：

(a)铝粉处理使铝粉外表面形成氧化铝层；

(b)消除外表面为氧化铝层的粉体表面的羟基；

(c)优化粉体形状，使得粉体球形度更高，吸油值更低。

本发明的高导热粉体的制备方法，通过对铝粉进行安全的钝化处理，使得铝粉外层有氧化铝层，内部为铝，铝的导热系数为300W/(m·K)，远高于氧化铝的30W/(m·K)，使得本发明的高导热粉体既具备良好的绝缘性能，并且具备良好的导热性能；进一步进行表面改性，有效提升粉体在油性体系中的填充量。

进一步地，所述铝粉选用以下球形铝粉中的任一种或多种：

球形铝粉1，D50为0.85-2.7μm，球度86％±2％，比表面积2.3-4.5m²/g；

球形铝粉2，D50为7.3±0.5μm，球度90％±2％，比表面积0.7±0.1 m²/g；

球形铝粉3，D50为41±2μm，球度94％±2％，比表面积0.3±0.1m²/g。

进一步地，所述铝粉选用球形铝粉1、球形铝粉2和球形铝粉3，所述球形铝粉1、球形铝粉2和球形铝粉3分别占所述铝粉总重量的 7％-18％、18％-41％、46％-75％。

进一步地，步骤(a)中，铝粉先处理使其外表面形成氢氧化铝薄膜层，然后再处理使所述氢氧化铝薄膜层分解为氧化铝层。

进一步地，步骤(a)中，在密闭环境中，铝粉与水在105±3℃反应 30min以上，蒸干水，铝粉外表面形成氢氧化铝薄膜层。

进一步地，铝粉与水反应的同时进行搅拌。

进一步地，所述搅拌的速度为600±100rpm。

进一步地，所述水的添加量为浸没所述铝粉。即刚浸没即可。

进一步地，加热至80±5℃时开始搅拌。

如反应在搅拌机中进行，加热至80±5℃时开启搅拌。

进一步地，氢氧化铝薄膜层的粉体在温度280℃±10℃处理150-200min形成氧化铝层。

进一步地，步骤(b)，外表面为氧化铝层的粉体分散后经硅烷偶联剂处理消除外表面的羟基。

进一步地，所述分散为：在80℃±5℃，600±100rpm搅拌30±3min。该步骤使得轻微团聚的粉料重新分散开，以便于后续的处理。

本发明中，硅烷偶联剂用于消除粉料表面残留的羟基，并提升粉料在油性体系中的填充量。

优选地，步骤(b)，所述硅烷偶联剂的型号为KH-560。

进一步地，所述硅烷偶联剂以液态形式与粉体混合反应。

进一步地，硅烷偶联剂加入溶剂混合，得到液态形式。

进一步地，硅烷偶联剂加入的溶剂为无水乙醇。

进一步地，所述硅烷偶联剂和无水乙醇按重量比为1-5:1混合。

进一步地，硅烷偶联剂和无水乙醇混合物按照外表面为氧化铝层的铝粉重量的0.1％-2％加入。

进一步地，经硅烷偶联剂处理是在80±5℃以速度为600±100rpm分散 50-70min。

步骤(b)得到的粉体表面亲油性差，这样使其填充量在90％以下，并且，导热率在3W/(m·K)左右。

因此，步骤(b)之后还需要改变粉体的表面性状，使其作为填料时增粘不明显。

进一步地，所述优化粉体形状通过加入长链偶联剂处理进行；

所述长链偶联剂为钛酸酯偶联剂、硬脂酸、碳酸酯偶联剂中的任一种或多种。

本发明中，长链偶联剂对粉体处理，改善粉体形貌，使得粉体作为填料时增粘不明显，能有效提升粉料在油性体系中填充量。

进一步地，所述长链偶联剂为钛酸酯偶联剂，所述钛酸酯偶联剂的型号为LD-70。

进一步地，所述长链偶联剂以液态形式与粉体混合反应。

进一步地，长链偶联剂加入溶剂混合，得到液态形式。

进一步地，长链偶联剂加入的溶剂为无水乙醇。

进一步地，所述长链偶联剂与无水乙醇的重量比例为1-3:1。

进一步地，长链偶联剂和无水乙醇混合物的加入量为经硅烷偶联剂处理后粉体重量的0.1％-3％。

进一步地，加入长链偶联剂处理是在80±5℃以速度为600±100rpm分散50-70min。

本发明的高导热粉体的制备方法，通过对铝粉进行合理的筛选搭配、安全的钝化处理以及表面改性，使得铝粉具备良好的绝缘性能，并在硅胶体系中具备非常高的填充量。

本发明还提供了一种导热材料，含有上述的高导热粉体。

进一步地，所述导热材料为导热硅胶材料，所述导热硅胶材料由所述高导热粉体和硅胶混合制成。

进一步地，所述高导热粉体包括由球形铝粉1、球形铝粉2和球形铝粉3分别制备或混合制备得到的高导热粉体，这三种高导热粉体分别占总高导热粉体重量的百分数为7％-18％、18％-41％、46％-75％。

本发明中，可以是不同参数的铝粉搭配后一起制备得到用于制备导热硅胶片的粉体；也可以不同参数的铝粉分别制备得到的高导热粉体再搭配得到用于制备导热硅胶片的粉体。

进一步地，所述导热硅胶材料为导热硅胶片。

本发明还提供了一种导热硅胶片的加工方法，将上述的高导热粉体与硅胶混合，双面覆离型膜，通过模压或者压延机以及加热烘箱固化成型，制得的导热硅胶片。

本发明提供的导热硅胶片，具备绝缘性能(体积电阻率＞1×10⁸Ω·cm)、高导热性能(导热率6.7W/(m·K))、良好的外观(表面光洁，和保护膜之间不存在脱粉、粘料)和较低的硬度(邵00硬度35-80)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的高导热粉体，外层为氧化铝层，内部为铝，铝的导热系数为300W/(m·K)，远高于氧化铝的30W/(m·K)，使得本发明的高导热粉体既具备良好的绝缘性能，并且具备良好的导热性能。

(2)本发明通过对铝粉进行合理的筛选搭配、安全的钝化处理以及表面改性，使得铝粉具备良好的绝缘性能，并在硅胶体系中具备非常高的填充量。

(3)本发明提供的导热粉体价格低廉，有效解决了高导热产品成本太高而难以推广的问题。

(4)本发明提供的导热硅胶片具备绝缘性能(体积电阻率＞1×10⁸Ω·cm)、高导热性能(导热率6.7W/(m·K))、良好的外观(表面光洁，和保护膜之间不存在脱粉、粘料)和较低的硬度(邵00硬度35-80)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例1中不同填充比例制得的硅胶片的导热率和击穿电压的变化曲线图；

图2为本发明实施例2中不同填充比例制得的硅胶片的导热率和击穿电压的变化曲线图；

图3为本发明实施例3中不同填充比例制得的硅胶片的导热率和击穿电压的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种低成本高导热的导热粉体制备方法，工艺程序如下：

选取球度高、比表面积小的铝粉，混配均匀，典型搭配如表1所示。

表1铝粉的搭配

参数	铝粉1	铝粉2	铝粉3
				粒径D50	0.85	7.3	41
比表面积(m<sup>2</sup>/g)	4.5	0.7	0.3
				混配比例(％)	13	41	46

其中，铝粉1为球形铝粉，球度86％；

铝粉2为球形铝粉，球度90％；

铝粉3为球形铝粉，球度94％；

将此铝粉置于密闭的高速搅拌机中，加入蒸馏水至刚好浸没铝粉；

开启加热功能，加热至80℃时开启高速搅拌(600rpm)，继续升温至 105℃，并保持一定时间(＞30min)，蒸干水，此步骤使得铝粉外形成一层氢氧化铝薄膜；

将此粉体转移至烤箱中，设定温度280℃，烘烤3h后取出冷却，此步骤使得氢氧化铝薄膜分解为氧化铝；

待粉体完全冷却后，重新加入高速分散机中，加热至80℃，搅拌30min，此步骤使得轻微团聚的粉料重新分散开；

将硅烷偶联剂(优选牌号KH-560)和无水乙醇按照1:1～5:1的比例混配均匀，按照粉体重量的0.1％-2％加入高速分散机中，保持80℃高速分散 60min，此步骤用于消除粉料表面残留的羟基，并提升粉料在油性体系中的填充量；

长链的钛酸酯偶联剂或者硬脂酸或者碳酸酯偶联剂(优选牌号LD-70) 和无水乙醇按照1:1～3:1的比例混配均匀，按照粉体重量的0.1％-3％加入高速分散机中，保持80℃高速分散60min，此步骤用于改善粉体形貌，使得粉体作为填料时增粘不明显，能有效提升粉料在油性体系中填充量；

得到导热粉体。

将制得的导热粉体和硅胶按照94:6的重量比例混配，双面覆离型膜，通过模压或者压延机以及加热烘箱固化成型，制得的2mm厚的导热硅胶片。

检测其相关指标，具体如下：

绝缘性能(体积电阻率＞1×10⁸Ω·cm)、高导热性能(导热率6.7W/ (m·K))、良好的外观(表面光洁，和保护膜之间不存在脱粉、粘料)和较低的硬度(邵00硬度35-80)。

其中，检测不同粉料填充比例的导热硅胶片的导热率和击穿电压，变化曲线如图1所示。

实施例2

一种低成本高导热的导热粉体制备方法，工艺程序如下：

选取球度高、比表面积小的铝粉，混配均匀，典型搭配如表1所示：

表2铝粉的搭配

参数	铝粉1	铝粉2	铝粉3
				粒径D50	2.7	7.3	41
比表面积(m<sup>2</sup>/g)	2.3	0.7	0.3
				混配比例(％)	18	25	47

其中，铝粉1为球形铝粉，球度86％；

铝粉2为球形铝粉，球度90％；

铝粉3为球形铝粉，球度94％；

得到导热粉体。

检测其相关指标，具体如下：

其中，检测不同粉料填充比例的导热硅胶片的导热率和击穿电压，变化曲线如图2所示。

实施例3

一种低成本高导热的导热粉体制备方法，工艺程序如下：

表3铝粉的搭配

参数	铝粉1	铝粉2	铝粉3
				粒径D50	2.7	7.3	41
比表面积(m<sup>2</sup>/g)	2.3	0.7	0.3
				混配比例(％)	7	18	75

其中，铝粉1为球形铝粉，D50为0.85-2.7μm，比表面积2.3-4.5m²/g，球度86％；

铝粉2为球形铝粉，D50为7.3μm，比表面积0.7m²/g，球度90％；

铝粉3为球形铝粉，D50为41μm，比表面积0.3m²/g，球度94％；

得到导热粉体。

检测其相关指标，具体如下：

其中，检测不同粉料填充比例的导热硅胶片的导热率和击穿电压，变化曲线如图3所示。

对比例1

与实施例1-3不同的是，直接用不同参数的铝粉替换导热粉体，制备 2mm厚的硅胶片。

检测硅胶片相关性能参数结果如下：

不具备绝缘性；填充最高达90％，搭配好填充90％时，导热率为 (2.7-3.0)W/(m·K)，体积电阻率为10⁴Ω·cm左右。

也就数说，直接以铝粉作为材料，制得的硅胶产品的体积电阻率比较低，且铝粉吸油值高，填充量低，导热低于4w/mk。

对比例2

与实施例1-3不同的是，直接用不同参数的氧化铝替换导热粉体，制备2mm厚的硅胶片。

检测硅胶片相关性能参数结果如下：

导热不大于5w/mk，体积电阻率10的10次方。

也就数说，直接以氧化铝粉作为材料，制得的硅胶产品的体积电阻率较高，但是，导热低于5w/mk。

本发明填料原材料选择为球形铝粉，价格为20-40元/kg，经本发明所述工艺处理得成品后，成本单价不超过60元/kg；而对比例2成本较高，约70元/kg；另外，本发明制得的导热粉体可替换现有的氮化铝，也即两者制备的硅胶产品性能参数相当，但是，氮化铝加入直接提升成本，目前业内高导热材料中的氮化铝主要产自日本，价格约千元每kg。因此，本发明提供的导热粉体有效解决了高导热产品成本太高而难以推广的问题。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims

1.一种高导热粉体，其特征在于，其具有内部为铝、外表面为氧化铝层的粉体结构，所述高导热粉体的球度为88%以上；

所述高导热粉体的外表面消除羟基；

所述的高导热粉体的制备方法包括以下步骤：

（a）铝粉处理使铝粉外表面形成氧化铝层；

（b）消除外表面为氧化铝层的粉体表面的羟基；

（c）优化粉体形状，使得粉体球形度更高，吸油值更低；

所述铝粉选用球形铝粉1、球形铝粉2和球形铝粉3，所述球形铝粉1、球形铝粉2和球形铝粉3分别占所述铝粉总重量的7%-18%、18%-41%、46%-75%；球形铝粉1，D50为0.85-2.7μm，球度86%±2%，比表面积2.3-4.5m²/g；

球形铝粉2，D50为7.3±0.5μm，球度90%±2%，比表面积0.7±0.1 m²/g；

球形铝粉3，D50为41±2μm，球度94%±2%，比表面积0.3±0.1 m²/g；步骤（a）中，铝粉先处理使其外表面形成氢氧化铝薄膜层，然后再处理使所述氢氧化铝薄膜层分解为氧化铝层；

在密闭环境中，铝粉与水在105±3℃反应30min以上，蒸干水，铝粉外表面形成氢氧化铝薄膜层；

氢氧化铝薄膜层的粉体在温度280℃±10℃处理150-200min形成氧化铝层；

步骤（b），外表面为氧化铝层的粉体分散后经硅烷偶联剂处理消除外表面的羟基；

所述分散为：在80℃±5℃，600±100rpm搅拌30±3min；

所述硅烷偶联剂以液态形式与粉体混合反应；

硅烷偶联剂加入溶剂混合，得到液态形式；

硅烷偶联剂加入的溶剂为无水乙醇；

所述优化粉体形状通过加入长链偶联剂处理进行；

所述长链偶联剂为钛酸酯偶联剂、硬脂酸、碳酸酯偶联剂中的任一种或多种；

所述长链偶联剂以液态形式与粉体混合反应；

长链偶联剂加入溶剂混合，得到液态形式；

长链偶联剂加入的溶剂为无水乙醇。

2.根据权利要求1所述的高导热粉体，其特征在于，步骤（a）中，铝粉与水反应的同时进行搅拌；

所述搅拌的速度为600±100rpm；

铝粉与水的重量比例为4-6：1；

加热至80±5℃时开始搅拌。

3.根据权利要求1所述的高导热粉体，其特征在于，步骤（b），硅烷偶联剂的型号为KH-560；

所述硅烷偶联剂和无水乙醇按重量比为1-5:1混合；

硅烷偶联剂和无水乙醇混合物按照外表面为氧化铝层的铝粉重量的0.1%-2%加入；

经硅烷偶联剂处理是在80±5℃以速度为600±100rpm分散50-70min。

4.根据权利要求1所述的高导热粉体，其特征在于，所述长链偶联剂为钛酸酯偶联剂，所述钛酸酯偶联剂的型号为LD-70；

所述长链偶联剂与无水乙醇的重量比例为1-3:1；

长链偶联剂和无水乙醇混合物的加入量为经硅烷偶联剂处理后粉体重量的0.1%-3%；

加入长链偶联剂处理是在80±5℃以速度为600±100rpm分散50-70min。

5.一种导热材料，其特征在于，含有权利要求1-4任一项所述的高导热粉体。

6.根据权利要求5所述的导热材料，其特征在于，所述导热材料为导热硅胶材料，所述导热硅胶材料由所述高导热粉体和硅胶混合制成。

7.根据权利要求6所述的导热材料，其特征在于，所述高导热粉体包括由球形铝粉1、球形铝粉2和球形铝粉3混合制备得到的高导热粉体，这三种高导热粉体分别占总高导热粉体重量的百分数为7%-18%、18%-41%、46%-75%。

8.根据权利要求7所述的导热材料，其特征在于，所述导热硅胶材料为导热硅胶片。

9.一种导热硅胶材料的加工方法，其特征在于，将权利要求1所述的高导热粉体与硅胶混合，双面覆离型膜，通过模压或者压延机以及加热烘箱固化成型，制得导热硅胶片。