氧化鋁粉導(dǎo)熱填料的應(yīng)用表面改性研究

文章出處：行業(yè)動(dòng)態(tài) 責(zé)任編輯：東莞東超新材料科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2023-12-19

　　導(dǎo)熱界面材料（TIM）是散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，是連接芯片與散熱器之間熱量傳遞的橋梁。然而，用于熱界面材料的聚合物，如環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅、聚氨酯等，具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)[0.1～0.3 W/(m·K)]，無法滿足快速傳熱的要求，因此需要開發(fā)具有高導(dǎo)熱的熱界面材料。通常的方法是在聚合物基體中加入導(dǎo)熱填料來實(shí)現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。氧化鋁因?yàn)閬碓磸V泛，價(jià)格較低，在聚合物基體中填充量大，具有較高的性價(jià)比，是目前制備高導(dǎo)熱絕緣材料的主要填料。

氧化鋁是一種常見的導(dǎo)熱粉體，因?yàn)閷?dǎo)熱性能及電絕緣性良好、硬度高、耐熱性強(qiáng)、耐磨性優(yōu)良等優(yōu)勢，被廣泛用作硅橡膠、橡膠、塑料、陶瓷、耐火材料等的填料。然而，氧化鋁若要得到大量應(yīng)用，還需對其進(jìn)行表面改性。今天，東超新材就為您解讀其中的原因，以及常見改性方法。

球形氧化鋁為1～150μm顆粒，形貌為球狀，高填充率、高堆積密度，吸油率低等。但其在高溫焰流下氧化鋁相變很復(fù)雜，由此生產(chǎn)的氧化鋁除主要為α相外，往往還含有δ相、θ相等雜相，而這是高熱導(dǎo)率要求所不希望的。角形氧化鋁顆粒形貌以具有尖銳的棱角為特征，生產(chǎn)成本低，轉(zhuǎn)化率高，但純度低，填充率低，電導(dǎo)高等導(dǎo)致了其導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低。類球α-氧化鋁或準(zhǔn)球氧化鋁相含量高、純度高、表面光滑，但顆粒形貌為橢圓形，影響填充率，且產(chǎn)品成本較高。

基于不同形貌導(dǎo)熱氧化鋁體系穩(wěn)定性、高性能、低成本等需求考量，通過實(shí)現(xiàn)球形、類球/準(zhǔn)球形、角形氧化鋁填料緊密堆積，搭建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提升導(dǎo)熱界面材料導(dǎo)熱系數(shù)，由該方法制備的復(fù)合導(dǎo)熱氧化鋁填料型的導(dǎo)熱高分子材料有望在市場上得到廣泛應(yīng)用，需求大。
目前，在粉體顆粒填充導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料時(shí)，為降低孔隙率，增大導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能的研究還未完善，如何提高粉體顆粒的堆積密度、降低孔隙率、提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能是填充型導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料急需解決的問題。

由于氧化鋁粒子和有機(jī)樹脂基體界面間相容性很差，造成氧化鋁粒子極易團(tuán)聚，很難均勻地分散到高分子基體中，此外，氧化鋁粒子與有機(jī)樹脂的表面張力差異不同，使得高分子基體很難潤濕粒子表面，從而導(dǎo)致二者界面處存在空隙，增加了復(fù)合材料的界面熱阻。如何降低氧化鋁顆粒之間的團(tuán)聚，改善氧化鋁粉體與高分子基體的界面相容性，提高它們在高分子基體中的分散性，從而獲得性能優(yōu)異的復(fù)合材料，就成為氧化鋁在填充材料領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。

利用有機(jī)表面改性劑分子中的官能團(tuán)在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對顆粒表面進(jìn)行改性，有目的地改變粉體表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面能、表面極性等，能很好地解決氧化鋁粉體在樹脂中分散性差的問題。表面處理是優(yōu)化氧化鋁粉體材料性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高氧化鋁粉體的應(yīng)用性能和價(jià)值起著至關(guān)重要的作用。

偶聯(lián)劑不僅能夠與無機(jī)粒子表面產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，而且偶聯(lián)劑中含有化學(xué)官能團(tuán)，有足夠長的碳鏈能夠與基體產(chǎn)生物理糾纏或共結(jié)晶，因而與高聚物基體也有很強(qiáng)的反應(yīng)性和相容性，主要有硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、有機(jī)絡(luò)合物、磷酸酯等偶聯(lián)劑。普通氧化鋁的表面改性劑以傳統(tǒng)的硅烷偶聯(lián)劑為主。賈春燕等針對氧化鋁導(dǎo)熱填料的表面處理進(jìn)行了研究，試驗(yàn)選取不同的偶聯(lián)劑對氧化鋁導(dǎo)熱填料進(jìn)行表面處理，通過吸油值、粘度及掃描電鏡對表面處理后的氧化鋁進(jìn)行表征，并對偶聯(lián)劑的表面處理作用及機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。結(jié)果表明，偶聯(lián)劑可以明顯的降低氧化鋁的吸油值，相對于未表面處理的氧化鋁，經(jīng)三種不同偶聯(lián)劑表面處理后氧化鋁的吸油值下降了7%~30%。且在合適的偶聯(lián)劑添加量范圍下，氧化鋁/樹脂復(fù)合材料的粘度逐漸降低，在某一值時(shí)，其粘度下降趨緩，基本達(dá)到平衡。表面處理后的氧化鋁粉體分散性較好，顆粒無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象存在，粉體棱角減少。

為提高界面材料的導(dǎo)熱性能，采用不同工藝對界面材料用導(dǎo)熱氧化鋁填料進(jìn)行改性研究，通過考察導(dǎo)熱氧化鋁填料的形貌、添加量、復(fù)配比例對界面材料導(dǎo)熱性能的影響，選取導(dǎo)熱氧化鋁填料性價(jià)比配方和改性工藝。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：球形氧化鋁、類球/準(zhǔn)球形氧化鋁和角形氧化鋁，分別采用干法、濕法、干法-濕法聯(lián)合改性工藝進(jìn)行改性，其中干法-濕法聯(lián)合改性工藝改性包覆的效果最好，同時(shí)表觀密度大，因此導(dǎo)熱系數(shù)最高。選取45μm球形氧化鋁、45μm類球/準(zhǔn)球形氧化鋁、5μm角形氧化鋁以2∶3∶2的質(zhì)量比復(fù)配改性，通過SEM檢測得出粉體之間形成緊密的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通道，導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到4.25 W/（m·K）。

表面接枝的聚合物有聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯、超支化聚合物等。

經(jīng)過改性的氧化鋁導(dǎo)熱粉體極大提高了它們在高分子基體中的分散性和填充均勻度，具備更優(yōu)的應(yīng)用性能。

東超新材對氧化鋁、硅微粉、氫氧化鋁、氫氧化鎂等粉體的研究已有10年經(jīng)驗(yàn)，目前已擁有專業(yè)的粉體研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，生產(chǎn)改性工廠，粉體應(yīng)用檢測室等，能夠獨(dú)立地完成粉體小試、中試和批量化生產(chǎn)，及時(shí)滿足客戶的產(chǎn)品定制需求；具有快速反應(yīng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，可根據(jù)客戶所用基材、產(chǎn)品指標(biāo)、工藝特色等選擇合適的偶聯(lián)劑研發(fā)對應(yīng)產(chǎn)品或推薦對標(biāo)產(chǎn)品，同時(shí)提供專業(yè)的售前售后支持以及分析測試服務(wù)，竭盡全力為客戶提供功能性粉體解決方案。

來源參考：賈春燕，李東紅，楊雙鳳。導(dǎo)熱填料氧化鋁的表面處理研究（中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司）

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