一種汽車電子元器件用高導熱聚氨酯結構膠的研制

摘 要：為滿足汽車電子行業對粘接和導熱需求，實現快速有效的散熱，對凝膠、硅脂、膠粘劑導熱率提出了更高的要求，研究以球形氧化鋁搭配聚氨酯樹脂制備了一款高導熱雙組分聚氨酯結構膠，考察了粉體粒徑搭配處理，多元醇樹脂對聚氨酯膠黏度、力學性能的影響。結果表明，通過粗細粒徑粉體合理搭配和合適的粉料處理，同時使用改性的蓖麻油，制備出的雙組分聚氨酯結構膠具有高導熱，高結構粘接性能，同時耐久性優異，滿足汽車電子高導熱粘接的要求。

關鍵詞：粉體處理；氧化鋁；聚氨酯結構膠；導熱；粘接

中圖分類號：

TQ436+.2

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0009-03

Development of a high thermal conductivity polyurethane

structural adhesive for automotive electronic components

AI Shaohua，CHEN Xuhuang

（School of Materials and Chemical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Abstract：To meet the bonding and thermal conductivity requirements of the automotive electronics industry，and achieve fast and effective heat dissipation，higher thermal conductivity requirements are proposed for gel，silicone grease，and adhesive.A high thermal conductivity two-mponent polyurethane structural adhesive was prepared by using" spherical alumina and polyurethane resin.The effects of powder particle size matching treatment" and polyol resin on the viscosity and mechanical properties of polyurethane adhesive were investigated.The results showed that by using a reasonable combination of coarse and fine particle size powder and suitable powder treatment，and modified castor oil at the same time，the prepared two-component polyurethane structural adhesive had high thermal conductivity，high structural bonding properties and excellent durability to meet the requirements of high thermal conductivity bonding for automotive electronics.

Key words：powder treatment；alumina；polyurethane structural adhesive；thermal conductivity；bonding

隨著5G和新能源汽車的快速發展和普及，相關的電路元器件趨于小型化，元器件工作放熱功率越來越高。為了實現快速有效的散熱，對凝膠、硅脂、膠粘劑導熱率提出了更高的要求。新能源汽車高速發展，BMS（電池管理系統）作為動力電池的核心部件，要求越來越高，高壓快充等需求導致BMS對電路板零部件的散熱提出了更高的要求，部分零部件如傳感器、液冷板既要求可靠的粘接性，又要求高的導熱功能［1-6］，這對膠粘劑的開發提出了挑戰。試驗基于汽車電子行業需求開發了高導熱結構粘接膠，滿足了汽車電子行業對粘接和導熱需求。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

雙酚A二元醇HP2000：工業級，法國賽比克；AC009蓖麻油改性多元醇：工業級，日本伊藤制油：蓖麻油：精煉一級，山東鄒平縣裕宏油脂有限公司；二月桂酸二丁基錫：化學純，上海試四赫維化工有限公司；對甲苯磺酰異氰酸酯（PTSI吸水劑）：工業級，杭州伊聯化工；液化二笨基甲垸二異氯酸酯（MDI）：工業級，萬華化學；γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）偶聯劑：荊江江瀚；聚醚多元醇330N：工業級，山東東大；球型氧化鋁：工業級，自制；3A分子篩粉：工業級，洛陽建龍；硬脂酸：日化級，印尼綠寶；月桂酸聚醚酯：工業級，江蘇海安石化化工廠；十二烷基三甲氧基硅烷：工業級，南京能德化工有限公司。

1.2 試驗儀器

XZH-6型高速行星分散機，無錫雙葉機械；AG-1C型拉力試驗機，日本島津；RDG-800型低溫恒定濕熱箱，艾墨生科技；Hotdisk Tps 2500導熱儀，Hot Disk AB公司。

1.3 試驗部分

1.3.1 粉料處理

將球形氧化鋁原粉按不同的粒徑搭配，加入自制的處理劑在高攪機上進行活化處理，制得導熱粉料；使用前于110～120 ℃下干燥12～24 h后，降溫至室溫后，密封保存。

1.3.2 聚氨酯預聚物的制備

將聚醚330N高溫120 ℃減壓脫水至水分低于0.5%，降溫至室溫，倒入三口燒瓶中，加入計量好的液化MDI，氮氣保護下升溫至80 ℃，保溫反應2 h，降溫至室溫出料，密封待用。

1.3.3 膠粘劑的制備

A組分的制備。將HP2000、AC009、蓖麻油、KH560硅烷按比例加入分散機中，分散3～5 min，再加入處理過的球形氧化鋁，在真空下分散15～20 min，氮氣泄壓后出料，密封保存。

B組分的制備。將聚氨酯預聚物加入到分散機中，加入PTSI，分散3～5 min，再加入處理過的球形氧化鋁，在真空下分散15～20 min，氮氣泄壓后出料，密封保存。

1.4 測試和表征

（1）旋轉黏度：按GB/T 2794—2022標準進行測試；

（2）導熱率：按ISO 22007—2：2022標準進行測試；

（3）拉伸強度及拉斷伸長率：按GB/T 528—2009標準進行測試，拉伸速率為10 mm/min；

（4）硬度：按GB/T 531—2009標準進行測試；

（5）剪切強度：按GB/T 13477.5—2002標準進行測試，拉伸速度2 mm/min；

（6）耐濕熱性：剪切試片放置在85 ℃，相對濕度85%環境下1 000 h后取出，測試剪切強度；

（7）高低溫沖擊：剪切試片于一定環境中放置后測試。（環境要求：低溫-40 ℃，時間30" min；高溫85 ℃，時間30 min；溫度轉換時間5 min，循環次數1 000次）

2 結果與討論

2.1 不同粒徑粉體搭配對導熱系數的影響

在制備導熱粉體，粉料的粒徑分布對膠粘劑的導熱系數和黏度影響較大，常規的粉料粒徑分布相對較窄，通過幾種不同粒徑分布的搭配和復配，對導熱系數和黏度有較大的提高。通過球鋁D50粒徑為50 、5 μm的2種粉料按不同比例搭配確定最佳的配比，油粉比按照m（聚氨酯預聚物樹脂）∶m（粉料）為20∶80進行配制，結果如表1所示。

由表1可知，粉料的粒徑及搭配對導熱系數和黏度均有明顯的影響，一般認為小粒徑能充分填充在大粒徑的間隙，實現高的填充效果，有效改善導熱性和降低黏度，特別兩種粉體粒徑有較大差距，效果更明顯。從表1還可以看出，當粗細2種粉體按照7/3搭配時，制備膠粘劑導熱系數和黏度均有較好的表現。

2.2 表面處理劑處理粉料對黏度的影響

高導熱膠粘劑對粉體的吸油值有極為苛刻的要求，因此需要對粉體進行有效的處理以降低吸油值［7-9］，從而實現高填充，一般的處理劑為硬脂酸類、長鏈酯類、硅烷類處理劑。研究通過3類處理劑的篩選，評估合適的處理劑，其中處理劑含量1%，處理后的按照油粉15∶85進行配制。

由表2可知，處理劑對粉體吸油值的降低均有明顯的效果，月桂酸聚醚酯相對其他2種處理劑，更能明顯的降低吸油值，提高填充率。

2.3 油粉比對導熱和黏度的影響

球鋁在導熱體系中隨著比例的增加，導熱系數逐步增加，當粉料比例超過一個比值后，導熱系數快速上升。通過提升粉料占比，考察導熱膠黏度和導熱系數，評估最佳粉料比例。

由表3可知，隨著粉料增加，導熱系數逐漸增加，當油粉比達到15∶85后，導熱系數快速增加，粉體之間形成連續的結構，形成了足夠的導熱通路［10-12］。

2.4 多元醇樹脂對粘接性能的影響

PCB電路板以有機復合材料居多［10-14］，同時電路板的零部件種類繁多，材質多種多樣。研究以典型的電路板材質和鎳片作為粘接材質，考察了不同結構的聚氨酯預聚物中多元醇樹脂對粘接性能的影響，結果如表4所示。“NA”表示樣品無法做出，無法完成測試。

由表4可知，雙酚A二元醇合成的聚氨酯樹脂AC009改性蓖麻油對基材的粘接性最為突出，不僅剪切強度最高，且粘接界面破壞形式最好［15］，為材質破壞，其他各項力學性能較好；同時，雙酚A二元醇和蓖麻油的搭配結合2種樹脂的優點，綜合性能尚可。

2.5 高導熱系數高可靠粘接膠的制備

對綜合粉料的粒徑搭配和粉體處理，篩選了合適的樹脂搭配，制備了一款高導熱性粘接型雙組分聚氨酯結構膠，同時具有優異的耐久性，主要性能見表5。

3 結語

（1）粉料的不同粒徑和比例搭配對導熱系數有較大的影響；

（2）采用含聚醚結構的處理劑能明顯改善粉料的填充性；

（3）通過粉料搭配處理，同時選擇合適的樹脂制備了一款高導熱高可靠粘接的雙組分聚氨酯膠，滿足了汽車電子行業的粘接導熱需求。

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