高導(dǎo)熱室溫硫化硅橡膠的制備

吳娟　王洪敏

浙江匯杰有機(jī)硅股份有限公司（浙江杭州　311222）

高導(dǎo)熱室溫硫化硅橡膠的制備

吳娟王洪敏

浙江匯杰有機(jī)硅股份有限公司（浙江杭州311222）

以端羥基聚二甲基硅氧烷為基膠、氧化鋁為導(dǎo)熱填料、甲基三甲氧基硅烷為交聯(lián)劑，制備了脫醇型導(dǎo)熱室溫硫化硅橡膠。研究了氧化鋁的形狀、填充量、粒徑以及不同粒徑配比對(duì)硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明：球形氧化鋁填充量最大并且對(duì)硅橡膠黏度的影響較小。隨著氧化鋁填充量的增大，硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)提高,最佳填充量為60%。大粒徑氧化鋁填充的硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)高于小粒徑氧化鋁填充的硅橡膠。如果按照m(d20)∶m(d3)=3∶7的比例混合氧化鋁，制備的硅橡膠綜合性能最佳，導(dǎo)熱系數(shù)為1.39 W/(m·K)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為1.98 MPa和134%。

球形氧化鋁室溫硫化硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)

0　引言

電子工業(yè)的迅速發(fā)展，要求電子元器件和電子設(shè)備高性能化、多功能化，并向輕、薄、短、小的方向發(fā)展。伴隨著電子設(shè)備封裝技術(shù)的高密度化和精細(xì)化，電子器件的散熱問題不容忽視。如果熱量不能被及時(shí)導(dǎo)出，元器件的溫度將迅速上升，這會(huì)直接影響電子設(shè)備的壽命和可靠性。傳統(tǒng)的散熱方式是將電子器件與散熱設(shè)備用螺釘固定，然而采用該固定方式，二者之間存在定位間隙，使散熱效果大打折扣。導(dǎo)熱型硅橡膠具有高導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)良的耐老化性能，可充分填充于熱源與散熱器件之間，能夠有效散出電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，還具有絕緣、防震的作用。此外，導(dǎo)熱硅橡膠具有優(yōu)良的粘接性，用其粘接電子器件和散熱器件來代替螺釘連接，可以簡化工藝、降低成本。

導(dǎo)熱硅橡膠的使用對(duì)電子設(shè)備的密集化、精細(xì)化、提高可靠性和延長使用壽命具有重大意義。本文旨在開發(fā)一款導(dǎo)熱系數(shù)高、對(duì)基材無腐蝕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、儲(chǔ)存期長的導(dǎo)熱型硅橡膠。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

端羥基聚二甲基硅氧烷，黏度5 000～10 000 mPa·s，自制；氧化鋁，中位粒徑分別為0.5，3，20 μm，上海百圖高新材料科技有限公司；氧化鋅，安徽海順化工有限公司；甲基三甲氧基硅烷、鈦絡(luò)合物，工業(yè)級(jí)，德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)；白炭黑，工業(yè)級(jí)，瓦克化學(xué)股份有限公司；KH550，KH792硅烷偶聯(lián)劑，工業(yè)級(jí)，荊州市江漢精細(xì)化工有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

NHZ-2真空捏合機(jī)，溫州市興業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司；LXSGJ氧化鋯三輥研磨機(jī)，常州市龍鑫化工機(jī)械有限公司；KXJ雙行星動(dòng)力混合機(jī)，無錫科越化工機(jī)械廠；THM-8201S萬能電子試驗(yàn)機(jī)，蘇州拓博機(jī)械設(shè)備有限公司；LX-A邵氏A硬度計(jì)，樂清市麥克斯測控設(shè)備廠；LW9389導(dǎo)熱系數(shù)測試儀,臺(tái)灣瑞領(lǐng)科技股份有限公司。

1.3性能測試

邵氏A硬度按照GB/T 531—1999《橡膠袖珍硬度計(jì)壓入硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；拉伸強(qiáng)度、伸長率按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》進(jìn)行測試；導(dǎo)熱系數(shù)按照ASTM D5470-01“Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thin Thermally Conductive Solid Electrical Insulation Materials”進(jìn)行測試。

1.4樣品制備

基料制備：在真空捏合機(jī)中，將端羥基聚二甲基硅氧烷與導(dǎo)熱填料氧化鋁按比例混合，加入占基料質(zhì)量2%的氧化鋅，在100～130℃下真空脫水1～2 h。冷卻后，在氧化鋯三輥研磨機(jī)中研磨2～3遍。

膠制備：在行星混合機(jī)中，加入占基料質(zhì)量為2%～5%的甲基三甲氧基硅烷、1%～2%的白炭黑、0.1%～1%的鈦絡(luò)合物、0.1%～1.5%的KH550以及0.1%～1.5%的KH792，混合均勻，抽真空脫泡，即得到室溫硫化導(dǎo)熱硅橡膠。

2　結(jié)果與討論

2.1導(dǎo)熱填料的選擇

導(dǎo)熱填料的種類對(duì)導(dǎo)熱硅橡膠的導(dǎo)熱性能起主要作用。一般而言，導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，制備的導(dǎo)熱硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)就越高。常用的導(dǎo)熱填料包括金屬填料、無機(jī)非金屬填料和石墨。不同填料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，常用導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。無機(jī)非金屬填料因具有高導(dǎo)熱系數(shù)、低介電常數(shù)、高絕緣性、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)而被廣泛使用。本文選擇氧化鋁和氧化鋅作為導(dǎo)熱填料制備經(jīng)濟(jì)型導(dǎo)熱硅橡膠。

表1　常用導(dǎo)熱填料導(dǎo)熱系數(shù)（20℃）

2.2導(dǎo)熱填料的形狀

選擇中位粒徑為3 μm的針狀、橢球形和球形氧化鋁作為導(dǎo)熱填料。隨著導(dǎo)熱填料填充量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的逐漸增大，硅橡膠的黏度也逐漸增大，直至無法溶入。經(jīng)過測試，得到三種填料的最大填充量分別為60%，82%和93%。同一種填料的填充量越高，硅橡膠的黏度越大，進(jìn)而影響硅橡膠的加工性能和力學(xué)性能，即對(duì)于黏度相同的硅橡膠，球形氧化鋁的填充量最大［1］。

2.3導(dǎo)熱填料的粒徑對(duì)硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響

研究了粒徑分別為0.5，3，20 μm的球形氧化鋁對(duì)導(dǎo)熱硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖1，隨著導(dǎo)熱填料填充量的增加，硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)呈增長趨勢(shì)。當(dāng)填充量小于20%時(shí)，三種填料的效果無明顯差異，硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)增長緩慢；這是因?yàn)樘畛淞枯^小時(shí)，導(dǎo)熱填料粒子被硅橡膠包裹，未能形成有效的網(wǎng)格導(dǎo)熱鏈，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)貢獻(xiàn)不大。隨著填充量的增大，填料粒子相互接觸，形成導(dǎo)熱鏈，使硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大。對(duì)于相同的填充量，粒子粒徑越大，越容易相互接觸，形成的導(dǎo)熱鏈越多。因此，在填充量相同的情況下，填充大粒徑填料有助于獲得更高的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)進(jìn)一步增加填充量時(shí)，因大部分粒子已相互接觸，新的導(dǎo)熱鏈增加并不明顯，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響微乎其微［1-2］；但硅橡膠的黏度卻持續(xù)增大。綜合考慮，導(dǎo)熱填料的最佳填充量為60%～70%。

圖1　不同粒徑球形氧化鋁粒子對(duì)硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.4兩種粒徑導(dǎo)熱填料混合填充

采用大小兩種粒徑的填料進(jìn)行混合填充，大粒徑氧化鋁填充于硅橡膠中，小粒徑氧化鋁分散于大粒徑氧化鋁空隙中，兩種粒子緊密堆積，有利于形成更多的網(wǎng)格導(dǎo)熱鏈，從而提高導(dǎo)熱系數(shù)。［1,3-4］

按照60%的填充量，將20 μm與3 μm粒徑的氧化鋁按不同比例混合填充于硅橡膠中，其導(dǎo)熱系數(shù)及力學(xué)性能如表2所示。由表2可見，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)氧化鋁填充量為60%、m(d20)∶m(d3)=3∶7時(shí)，硅橡膠的綜合性能最佳，導(dǎo)熱系數(shù)為1.39 W/(m·K)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為1.98 MPa和134%。

2.5氧化鋅的作用

本實(shí)驗(yàn)制備的硅橡膠為脫醇型室溫硫化硅橡膠。因填料、基膠中的羥基、游離醇和水分的影響，脫醇型硅橡膠的貯存期相對(duì)于脫醋酸型和脫酮肟型硅橡膠較短。本實(shí)驗(yàn)加入氧化鋅作為硅橡膠中羥基、游離醇和水分的清除劑，從而將脫醇型硅橡膠的貯存期從原來的9個(gè)月延長至12個(gè)月。此外，氧化鋅的導(dǎo)熱系數(shù)［約28 W/(m·K)］遠(yuǎn)高于硅橡膠自身的導(dǎo)熱系數(shù)［0.2 W/(m·K)］，因此能提高硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)。氧化鋅還是優(yōu)良的耐熱添加劑，能有效提高硅橡膠的耐熱穩(wěn)定性［5］。

表2　兩種粒徑氧化鋁混合對(duì)硅橡膠性能的影響

3　結(jié)論

（1）本實(shí)驗(yàn)制備的硅橡膠為脫醇型室溫硫化硅橡膠，對(duì)大多數(shù)基材具有良好的粘接性，且不會(huì)腐蝕基材。

（2）將球形氧化鋁作為導(dǎo)熱填料時(shí)，硅橡膠的黏度增長相對(duì)較小，可有效提高填充量，從而提高導(dǎo)熱系數(shù)，氧化鋁的最大填充量為93%。

（3）在相同填充量下，大粒徑填料更容易形成網(wǎng)格導(dǎo)熱鏈，導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大。大粒徑和小粒徑填料混合填充，有利于提高導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)填充量為60%、m(d20)∶m(d3)=3∶7時(shí)，硅橡膠的綜合性能最佳，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.39 W/(m·K)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為1.98 MPa和134%。

（4）氧化鋅作為羥基、游離醇和水分的清除劑加入，在延長脫醇型硅橡膠貯存期的同時(shí)，還起到提高硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)的作用。

［1］鐘前剛.大功率LED散熱用導(dǎo)熱硅脂的制備與性能研究［D］.重慶：重慶大學(xué),2011.

［2］趙紅振,齊暑華,周文英,等.氧化鋁粒子對(duì)導(dǎo)熱硅橡膠性能的影響［J］.特種橡膠制品,2007,28(5)：19-21,24.

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［4］崔巍,祝淵,袁軒一,等.高導(dǎo)熱高絕緣導(dǎo)熱硅脂的制備及性能表征［J］.稀有金屬材料與工程,2011,40(S1)：443-446.

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Preparation of Room Temperature Vulcanized Silicone Rubber with High Thermal Conductivity

Wu Juan Wang Hongmin

Dealcoholized room temperature vulcanized silicone rubber with high thermal conductivity was prepared with hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane as base gum,alumina powders as thermal conductive filler,and methyltrimethoxysilane as crosslinking agent.The effects of shape,filling content,particle size,and proportion of powders with different diameters of alumina on the thermal conductivity of silicone rubber were studied.The results indicated that spherical alumina had the maximum filling content and had the minimum influence on the viscosity of silicone rubber.The thermal conductivity of silicone rubber increased with the increase of alumina's filling content,and the optimum filling content was 60%.The thermal conductivity of silicone rubber filled with large size alumina powders was higher than that filled with small ones.When the mixture proportion of alumina was m(d20)∶m(d3)=3∶7,the silicone rubber showed the best comprehensive properties；its thermal conductivity was 1.39 W/(m·K),the tensile strength and the elongation at break were 1.98 MPa and 134%,respectively.

Spherical alumina；Room temperature vulcanized silicone rubber；Thermal conductivity

TQ333.93

吳娟女1984年生碩士工程師研究方向：有機(jī)硅材料

2015年8月