由含碳物種官能化以提高熱導率的聚合物基質的製作方法

2023-05-28 11:58:16

由含碳物種官能化以提高熱導率的聚合物基質的製作方法
【專利摘要】本申請公開了導熱性複合材料，其包含由含碳物種官能化的聚合物基質，所述含碳物種與該聚合物基質共價連接。本申請還公開了下述方法，所述方法通常包括將含碳物種官能化並將官能化的含碳物種併入聚合物中，使得含碳物種通過偶聯劑共價地結合於聚合物基質。
【專利說明】由含碳物種官能化以提高熱導率的聚合物基質
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年5月9日提交的印度專利申請第1827/CHE/2012號的優先權。 通過援引將以上申請的全部內容併入本說明書中。

【技術領域】
[0003] 本公開內容涉及由含碳物種官能化以提高熱導率的聚合物基質。

【背景技術】
[0004] 本部分提供與本公開內容有關的背景信息，其未必是現有技術。
[0005] 電子元器件，如半導體、電晶體等，通常具有電子元器件最佳運行的預先設計的溫 度。理想的是，預先設計的溫度接近周圍空氣的溫度。但電子元器件的運行產生熱量，所 述熱量若不除去，則將導致電子元器件在明顯高於其正常或所期望的運行溫度的溫度下運 行。這種過高的溫度可能不利地影響電子元器件的運行特性、壽命和/或可靠性以及相關 設備的運行。
[0006] 為避免或至少降低發熱所導致的不良運行特性，應當例如通過將熱量從運行中的 電子元器件傳導至散熱片來除去該熱量。散熱片然後可以通過常規的對流和/或輻射技術 來冷卻。在傳導過程中，熱量可以通過電子元器件與散熱片之間的直接表面接觸和/或通 過電子元器件與散熱片表面隔著中間介質或熱界面材料的接觸，從運行中的電子元器件傳 遞至散熱片。熱界面材料可用於填充傳熱表面之間的間隙，從而與使間隙填充作為較差熱 導體的空氣的情況相比，提高傳熱效率。在一些設備中，也可以在電子元器件與散熱片之間 設置電絕緣體，在許多情況中這就是熱界面材料本身。


【發明內容】

[0007] 本部分提供本公開內容的大致概括，並非是其完整範圍或其所有特徵的全面公 開。
[0008] 根據各個方面，公開了導熱性複合材料的示例性實施方式，所述導熱性複合材料 包含由含碳物種官能化的聚合物基質，所述含碳物種與聚合物基質共價連接。還公開了下 述方法，所述方法通常包括使含碳物種官能化並將官能化的含碳物種併入聚合物中，使得 含碳物種通過偶聯劑共價地結合於聚合物基質。
[0009] 通過此處所提供的描述，其他適用領域將變得顯而易見。本
【發明內容】
中的描述和 具體實例僅出於說明的目的，並不意在限制本公開內容的範圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 此處所描述的附圖僅出於說明所選的實施方式的目的，而非是所有可能的實施， 這些附圖並不意在限制本公開內容的範圍。
[0011] 圖1描繪了基質官能化的一個實例。
[0012] 圖2是官能化的石墨烯的FTIR(傅立葉變換紅外）光譜，其中在1384CHT1和 lOlScnT1處的峰表明在石墨烯納米片的表面上存在矽酮鏈。
[0013] 圖3是官能化的石墨烯的EDS(能量色散）譜，其顯示了官能化的石墨烯中存在 矽、氧和碳。
[0014] 圖4是官能化的碳納米管（CNT)聚合物複合材料的掃描電子顯微鏡照片。
[0015] 圖5是在聚合物基質中包含未官能化的多壁納米管的納米複合材料的掃描電子 顯微鏡照片。
[0016] 圖6是根據本技術的示例性實施方式的在聚合物基質中包含乙烯基官能化的多 壁納米管的納米複合材料的掃描電子顯微鏡照片。
[0017] 圖7是根據本技術的示例性實施方式的在聚合物基質中具有不同重量百分比的 乙烯基官能化的多壁納米管的示例性納米複合材料以及在聚合物基質中包含未官能化的 多壁納米管的納米複合材料的熱分解百分比對溫度（攝氏度）的示例性線形圖。

【具體實施方式】
[0018] 現在將參照附圖更加全面地描述示例性實施方式。
[0019] 本發明人已經認識到，對於熱界面材料（例如，間隙填料等）和其他材料（例如， 導熱和/或導電性塑料等），通過提高基質的熱導率而不必在基質中進一步併入或提高導 熱性填料的加載量，可以實現更高的熱導率。因此，本發明人開發並在此公開了由含碳物種 官能化的聚合物基質的示例性實施方式，所述聚合物基質可以與例如熱界面材料、導熱和/ 或導電性塑料等一起使用。在此還公開了提高聚合物基質的熱導率的示例性方法，所述方 法將含碳物種官能化並將官能化的含碳物種併入所述聚合物中，使得含碳物種通過偶聯劑 共價地結合於聚合物基質。此官能化產生了聚合物基質和所獲得的由該增強的聚合物基質 形成的導熱性複合材料的提高的熱導率。因此，本公開內容的各方面也涉及通過將含碳物 種官能化至基質的聚合物中而實現的基質增強。官能化的熱增強基質可以用於例如熱界面 材料、導熱性塑料、導熱和/或導電性塑料等。
[0020] 在示例性實施方式中，導熱性複合材料的電導率基於官能化水平而可調。所以，取 決於官能化的變化，導電性複合材料由此可以是電絕緣性或導電性複合材料。
[0021] 在示例性實施方式中，一種或多種含碳物種與聚合物基質共價地連接（例如，接 合、結合等）或者共價地連接於聚合物基質，其在保持電絕緣性的同時提高了熱導率，使得 所獲得的複合材料是電介質或電絕緣體。在此類實施方式中，聚二甲基矽氧烷（PDMS)鏈通 過作為基質的一部分的偶聯劑（例如，MPTMS(3-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷）等） 共價地連接於石墨烯納米片、石墨烯或石墨烯氧化物。聚合物基質中官能化的石墨烯的百 分比可以為約0.001V% (體積百分比）?約5V%。官能化分子可以是PDMS和/或PDMS 衍生物。作為實例，由石墨烯對矽酮基質的官能化（參見例如圖1等）可以將矽酮基質的 熱導率提高約20%?約40%。官能化的基質可以具有電絕緣性。
[0022] 圖1描繪了基質官能化以及表現固化過程中與矽酮反應的乙烯基的一個實例。圖 2是顯示透射率百分比對波數的官能化的石墨烯的FTIR(傅立葉變換紅外）光譜。圖2中 1384CHT1和1015CHT1處的峰表明石墨烯納米片表面上存在矽酮鏈。圖3是顯示計數對能量 (千電子伏（keV))的官能化的石墨烯的EDS(能量色散）譜。圖3中的峰顯示官能化的石 墨烯中矽、氧和碳的存在。圖4是官能化的碳納米管（CNT)聚合物複合材料的掃描電子顯 微鏡照片。
[0023] 在示例性實施方式中，石墨烯納米片通過石墨烯納米片邊緣的羥基與3-甲基丙 烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷（MPTMS)之間經由O-Si基團的共價結合而在石墨烯納米片表 面上引入雙鍵的反應而官能化。參見下圖，其表示的是石墨烯邊緣的-OH基團與MPTMS之 間的反應。
[0024]

【權利要求】
1. 一種材料，所述材料包含由含碳物種官能化的聚合物基質，所述含碳物種與所述聚 合物基質共價連接。
2. 如權利要求1所述的材料，其中，所述含碳物種通過作為所述聚合物基質的一部分 的偶聯劑共價地結合於所述聚合物基質。
3. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中： 所述含碳物種具有小於100納米的至少一個維度；和/或 所述官能化分子是所述聚合物基質的一部分。
4. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中，所述聚合物基質包含兩部分型矽酮基 質，所述兩部分型矽酮基質包含可充當所述偶聯劑的第一部分和可充當官能化分子的第二 部分。
5. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中，所述聚合物基質包含3-甲基丙烯醯氧 基丙基三甲氧基矽烷（MPTMS)和聚二甲基矽氧烷（PDMS)。
6. 如權利要求5所述的材料，其中： 所述含碳物種通過MPTMS共價地結合於所述聚合物基質；和/或 所述PDMS可充當官能化分子。
7. 如權利要求5或6所述的材料，其中，PDMS鏈共價地連接到所述含碳物種。
8. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中： 所述官能化分子包含聚二甲基矽氧烷（PDMS)或其衍生物；和/或 聚二甲基矽氧烷（PDMS)鏈共價地連接到所述含碳物種。
9. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中，所述含碳物種包含石墨烯、石墨烯納米 片、剝離型石墨烯納米片、石墨烯氧化物、碳納米管、多壁碳納米管和/或單壁碳納米管。
10. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中： 由官能化的含碳物種對所述聚合物基質的所述官能化提高了所述聚合物基質的熱導 率，同時保持了電絕緣性，使得官能化的聚合物基質具有導熱性和介電性；和/或 由官能化的含碳物種對所述聚合物基質的所述官能化提高了熱導率，而不必增加所述 聚合物基質中導熱性填料的加載量。
11. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中，由3重量％ (重量百分比）的PDMS官 能化的石墨烯來官能化所述聚合物基質，由此所述PDMS鏈錨定於所述石墨烯的表面上而 保持了官能化的聚合物基質的介電性和電絕緣性。
12. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中： 所述含碳物種包含剝離型石墨烯納米片；並且 所述聚合物基質包含由所述剝離型石墨烯納米片官能化並且包含至少一種導熱性填 料的娃麗基質。
13. 如權利要求12所述的材料，其中，官能化的矽酮基質包含2重量％ (重量百分比） 剝離型石墨烯納米片和47重量％ (重量百分比）氮化硼。
14. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中： 所述材料在所述聚合物基質中包含約〇. 001體積百分比（體積％ )?約5體積百分比 的官能化石墨稀；和/或 所述聚合物基質的所述官能化將所述聚合物基質的熱導率提高約20%?約40% ;和/ 或 所述材料具有4瓦/米?開爾文以上的熱導率；和/或 所述材料在官能化的聚合物基質中還包含至少一種導熱性填料，從而提高熱導率。
15. 如前述權利要求中任一項所述的材料，其中，電導率基於官能化水平而選擇性可 調，使得所述材料是電絕緣的或導電的。
16. -種熱界面材料，所述熱界面材料包含前述權利要求中任一項所述的材料。
17. -種導熱性複合材料，所述導熱性複合材料包含權利要求1?15中任一項所述的 材料。
18. -種適型性熱界面材料，所述適型性熱界面材料包含權利要求1?15中任一項所 述的材料，由此使所述適型性熱界面材料適合用於填充至少兩個表面之間的間隙，從而在 所述至少兩個表面之間傳熱。
19. 一種提高聚合物基質的熱導率的方法，所述方法包括使含碳物種官能化，並將官能 化的含碳物種併入所述聚合物基質中，使得所述含碳物種通過偶聯劑共價地結合於所述聚 合物基質。
20. 如權利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片；並且 所述聚合物基質包含兩部分型矽酮，所述兩部分型矽酮包含可充當所述偶聯劑的第一 部分和可充當官能化分子的第二部分。
21. 如權利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片；並且 所述方法包括： 通過所述石墨烯納米片邊緣的羥基與所述偶聯劑之間經由共價結合而在所述石墨烯 納米片表面上引入雙鍵的反應來官能化所述石墨烯納米片；和 使所述石墨烯納米片表面上的所述雙鍵反應。
22. 如權利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片；並且 所述方法包括： 通過所述石墨烯納米片邊緣的羥基與所述偶聯劑之間經由O-Si基團的共價結合而在 所述石墨烯納米片表面上引入雙鍵的反應來官能化所述石墨烯納米片；和 使所述石墨烯納米片表面上的所述雙鍵與官能化分子上的Si-H基團反應。
23. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法包括將官能化的石墨烯片並 入所述聚合物基質中，並固化所述聚合物基質與官能化的石墨烯片。
24. 如權利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物種包含石墨烯納米片； 所述聚合物基質包含3-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷（MPTMS)和聚二甲基矽氧 烷（TOMS); 所述方法包括： 通過所述石墨烯納米片邊緣的羥基與所述MPTMS之間經由O-Si基團的共價結合而在 所述石墨烯納米片表面上引入雙鍵的反應來官能化所述石墨烯納米片；和 使所述石墨烯納米片表面上的所述雙鍵與PDMS鏈上的Si-H基團在足夠的溫度下在鉬 類催化劑存在下通過矽氫化反應進行反應，從而使PDMS鏈纏繞在所述石墨烯片周圍。
25. 如權利要求24所述的方法，其中，所述方法包括將PDMS官能化的石墨烯片併入所 述聚合物基質中，並固化所述聚合物基質和PDMS官能化的石墨烯片，以獲得凝膠。
26. 如權利要求25所述的方法，其中，在所述固化過程中，所述PDMS官能化的石墨烯 片因所述石墨烯表面上的所述雙鍵與所述聚合物基質中的所述聚二甲基矽氧烷（PDMS)的 Si-H基團之間的反應而成為所述矽氧烷網絡的一部分。
27. 如權利要求25或26所述的方法，其中： 所述矽氫化反應在約150°C的溫度發生；和/或 所述固化在約150°C的溫度發生。
28. 如權利要求21、22、24、25、26或27中的任一項所述的方法，其中，所述反應在室 溫?200°C的溫度發生。
29. 如權利要求23、25、26或27中的任一項所述的方法，其中，所述固化包括在室溫使 用紫外線照射。
【文檔編號】C08K3/04GK104284940SQ201380023943
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月1日 優先權日:2012年5月9日
【發明者】S·R·喬杜裡, P·P·蘇達爾沙那, 斯裡尼瓦桑·杜賴斯瓦米 申請人:萊爾德技術股份有限公司