氧化鋁粉導熱填料的應用表面改性研究

文章出處：行業(yè)動態(tài) 責任編輯：東莞東超新材料科技有限公司發(fā)表時間：2023-12-19

　　導熱界面材料（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、有機硅、聚氨酯等，具有很低的導熱系數(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)具有高導熱的熱界面材料。通常的方法是在聚合物基體中加入導熱填料來實現(xiàn)高效的熱傳導。氧化鋁因為來源廣泛，價格較低，在聚合物基體中填充量大，具有較高的性價比，是目前制備高導熱絕緣材料的主要填料。

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氧化鋁是一種常見的導熱粉體，因為導熱性能及電絕緣性良好、硬度高、耐熱性強、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用，還需對其進行表面改性。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，電導高等導致了其導熱材料導熱系數(shù)低。類球α-氧化鋁或準球氧化鋁相含量高、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。

基于不同形貌導熱氧化鋁體系穩(wěn)定性、高性能、低成本等需求考量，通過實現(xiàn)球形、類球/準球形、角形氧化鋁填料緊密堆積，搭建導熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而提升導熱界面材料導熱系數(shù)，由該方法制備的復合導熱氧化鋁填料型的導熱高分子材料有望在市場上得到廣泛應用，需求大。
目前，在粉體顆粒填充導熱高分子復合材料時，為降低孔隙率，增大導熱材料的導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熱性能是填充型導熱高分子復合材料急需解決的問題。

由于氧化鋁粒子和有機樹脂基體界面間相容性很差，造成氧化鋁粒子極易團聚，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，從而導致二者界面處存在空隙，增加了復合材料的界面熱阻。如何降低氧化鋁顆粒之間的團聚，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)異的復合材料，就成為氧化鋁在填充材料領(lǐng)域中應用的關(guān)鍵性問題。

利用有機表面改性劑分子中的官能團在顆粒表面吸附或化學反應對顆粒表面進行改性，有目的地改變粉體表面的物理化學性質(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用性能和價值起著至關(guān)重要的作用。

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偶聯(lián)劑不僅能夠與無機粒子表面產(chǎn)生化學結(jié)合，而且偶聯(lián)劑中含有化學官能團，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的反應性和相容性，主要有硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、有機絡合物、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熱填料的表面處理進行了研究，試驗選取不同的偶聯(lián)劑對氧化鋁導熱填料進行表面處理，通過吸油值、粘度及掃描電鏡對表面處理后的氧化鋁進行表征，并對偶聯(lián)劑的表面處理作用及機理進行了初步的探討。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/樹脂復合材料的粘度逐漸降低，在某一值時，其粘度下降趨緩，基本達到平衡。表面處理后的氧化鋁粉體分散性較好，顆粒無明顯團聚現(xiàn)象存在，粉體棱角減少。

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

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實驗結(jié)果表明：球形氧化鋁、類球/準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，同時表觀密度大，因此導熱系數(shù)最高。選取45μm球形氧化鋁、45μm類球/準球形氧化鋁、5μm角形氧化鋁以2∶3∶2的質(zhì)量比復配改性，通過SEM檢測得出粉體之間形成緊密的導熱網(wǎng)絡通道，導熱系數(shù)可以達到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，目前已擁有專業(yè)的粉體研發(fā)實驗室，生產(chǎn)改性工廠，粉體應用檢測室等，能夠獨立地完成粉體小試、中試和批量化生產(chǎn)，及時滿足客戶的產(chǎn)品定制需求；具有快速反應的研發(fā)團隊，可根據(jù)客戶所用基材、產(chǎn)品指標、工藝特色等選擇合適的偶聯(lián)劑研發(fā)對應產(chǎn)品或推薦對標產(chǎn)品，同時提供專業(yè)的售前售后支持以及分析測試服務，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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