Способ получения полимерматричного композиционного материала с эксфолиированным нитридом бора с повышенной теплопроводностью - RU2780121C1

Описание

Изобретение относится к конструкционным композиционным материалам на полимерной основе и может быть использовано для получения корпусов устройств мелкой электроники или печатных плат устройств с повышенным тепловыделением, как методом литья под давлением, так и с применением аддитивных технологий.

Известен теплопроводящий электроизоляционный композиционный материал (RU 2643985 С1, опублик. 06.02.2018 г.), который получен методом полимеризационного наполнения и содержит в качестве полимерной матрицы сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), а в качестве наполнителя частицы гексагонального нитрида бора (h-BN), имеющие слоистую структуру. Степень наполнения составляет до 95% (то есть материал представляет собой практически чистый нитрид бора) и показана высокая теплопроводность не менее 3,4 Вт/м⋅К перпендикулярно плоскости приложения силы при прессовании.

Недостатком данного метода являются недостаточные прочностные характеристики, которые при такой высокой степени наполнения не позволяют сохранить прочность на изгиб, а в опубликованном описании прочность исследована только при сжатии, что не дает никаких оснований утверждать, что материал сохраняет свои прочностные свойства при такой высокой степени наполнения. Для использования данного материала в конструкциях наподобие корпусов устройств или печатных плат требуется достаточно высокие показатели прочности на изгиб и растяжение, но авторы патента этих данных не приводят. Метод смешения при этом подразумевает введение наполнителя на этапе полимеризации материала матрицы, что отличает данный метод от предлагаемого подхода.

Наиболее близким к предложенному материалу по технической сущности является теплопроводящий электроизоляционный композиционный материал (US 9,434,870 В2, опублик. 06.09.2016 г.), который получают введением частиц гексагонального нитрида бора в матричный материал методом экструзии с использованием двухшнекового экструдера. При этом композиционный материал имеет высокие значения теплопроводности, но эта теплопроводность обладает большой анизотропией, а именно: поперек направления ориентации частиц она колеблется около 1 Вт/м К, а вдоль направления ориентации частиц она может достигать 5 Вт/м К.

Недостатком известного способа является использование полиамидной матрицы с высокой собственной теплопроводностью до 0,8 Вт/м К и высокой стоимостью исходного полимера, которая в 15 раз превышает стоимость более распространенных и простых в получении полимеров, таких как полиэтилен, PTFE и тем более полипропилен. К тому же полиамиды имеют более высокую температуру переработки, что также поднимает себестоимость материала.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения полимерматричных композитов с повышенной теплопроводностью и сохранением механических свойств материала.

Технический результат, достигаемый в реализации изобретении, заключается в повышении теплопроводности полимерматричного композита с сохранением его механических свойств, а также в снижении себестоимости материала.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

В способе получения полимерматричных композитов с наполнителем в виде эксфолиированного гексагонального нитрида бора проводят обработку в изопропиловом спирте ультразвуком в течение 8-24 часов порошка гексагонального нитрида бора, концентрацию которого выбирают в диапазоне 0,5-1,5 г/л, после чего из полученной дисперсии выделяют путем центрифугирования образовавшиеся эксфолиированные частицы гексагонального нитрида бора в надосадочную жидкость, которую смешивают с матричным материалом, изготовленным при растворении 0,9-1,5 г низковязкого полипропилена (Kunststoffe International 8/2013, pp.56-58, https://doi.org/10.1515/epoly-2019-0034) в 50 мл толуола, при этом количество надосадочной жидкости в смеси выбирают из условия последующего содержания наполнителя в композите в количестве 3-30 (% мас.), затем проводят выпаривание растворителей из полученной смеси и просушивание оставшейся вязкой массы.

Основным отличием способа является использование в композите в качестве наполнителя эксфолиированных частиц гексагонального нитрида бора, которые приводят к повышению теплопроводности получаемых материалов при достаточно низких степенях наполнения без образования крупных включений, которые могут являться причиной снижения прочности на изгиб или разрыв. Другим важным отличием является использование в композите полиолефинов в качестве матричных материалов, обладающих низкой стоимостью и легко поддающихся вторичной переработке.

Изобретение реализуется следующим образом.

В способе используют наполнитель, обладающий высокой собственной теплопроводностью в сочетании с высокими электроизоляционными характеристиками. В качестве материала наполнителя предлагается использовать эксфолиированный гексагональный нитрид бора, теплопроводность которого в массивном состоянии может составлять до 200 Вт/м К вдоль кристаллографической плоскости 001.

Так как данный материал обладает слоистой структурой его можно получить в виде очень тонких чешуек за счет расслоения по плоскости 001. Такой вид обработки может быть достигнут в результате воздействия ультразвука на гексагональный нитрид бора.

Частицы эксфолиированного нитрида бора могут быть введены в полиолефины для придания композиту повышенной теплопроводности без ухудшения при этом его механических характеристик за счет гибкости более тонких частиц.

В качестве материала наполнителя используют эксфолиированные частицы гексагонального нитрида бора, которые получают в результате воздействия ультразвука на порошок гексагонального нитрида бора в изопропиловом спирте с концентрацией 0,5-1,5 г/л и дальнейшего центрифугирования изготовленной дисперсии с выделением полученных эксфолиированных частиц гексагонального нитрида бора в надосадочную жидкость.

Введение частиц наполнителя в матричный материал осуществляется путем смешения раствора полимера в подходящем органическом растворителе с надосадочной жидкостью, содержащей эксфолиированные частицы нитрида бора, с проведением последующей сушки.

Полученные таким образом композиционные материалы характеризуются теплопроводностью 0,7 Вт/м К при степени содержания наполнителя до 30% (% мас.).

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример

Сначала проводят обработку исходных частиц гексагонального нитрида бора с размером частиц 2-3 мкм в среде изопропилового спирта с помощью либо ультразвуковой ванны либо высокомощного ультразвукового диспергатора/гомогенизатора с сонородом. Обработка в ультразвуком ведется в течение 24 часов, концентрация частиц гексагонального нитрида бора в дисперсии составляет 0,5-1,5 г/л. Далее полученную дисперсию разливают по емкостям для дальнейшего центрифугирования, скорость вращения ротора должна составлять не менее 5000 об/мин, а процесс продолжаться не менее 7 минут.Затем полученную надосадочную жидкость сливают с осадка и дальнейшие манипуляции проводят с тем количеством материала, которое осталось в дисперсии.

После этого готовят матричный материал, при этом используют низковязкий полипропилен, в виде гранул, который растворяют в горячем толуоле (100°С) при постоянном перемешивании. Концентрация полипропилена варьируется в количестве 0,9-1,5 г на 50 мл толуола.

Далее в приготовленную дисперсию матричного материала выливают ранее полученную надосадочную жидкость с эксфолиированными частицами гексагонального нитрида бора, при этом количество надосадочной жидкости в смеси выбирают из условия последующего содержания наполнителя в композите в количестве 3-30 (% мас). После этого перемешивание прекращают, а смесь нагревают до 150°С для ускорения выпаривания растворителей. Полученную таким образом вязкую массу подвергают сушке в сушильном шкафу в течение 2 часов.

Измерения тепловых свойств проводят на таблетках 10 мм в диаметре, которые готовят прессованием при 150-170°С и давлении 5 МПа.

Изготовленные таким образом таблетки композита имеют до 30 (% мас) наполнителя, при этом теплопроводность композита равна до 0,72 Вт/м К, при его температуропроводности порядка 0,47 мм²/с и плотности 1046 кг/м³.

В таблице приведены свойства образцов композиционных материалов полипропилен/нитрид бора (PP/hBN), полученных в виде таблеток, где:

χ - температуропроводность,

ρ - плотность,

Ср - удельная теплоемкость,

α - теплопроводность.

Реферат

Изобретение относится к конструкционным композиционным материалам на полимерной основе, а именно к способу получения полимерматричных композитов с наполнителем в виде эксфолиированного гексагонального нитрида бора. Способ включает проведение обработки в изопропиловом спирте ультразвуком в течение 8-24 часов порошка гексагонального нитрида бора, концентрацию которого выбирают в диапазоне 0,5-1,5 г/л, после чего из полученной дисперсии выделяют путем центрифугирования образовавшиеся эксфолиированные частицы гексагонального нитрида бора в надосадочную жидкость, которую смешивают с матричным материалом, изготовленным при растворении 0,9-1,5 г низковязкого полипропилена в 50 мл толуола. При этом количество надосадочной жидкости в смеси выбирают из условия последующего содержания наполнителя в композите в количестве 3-30% мас. Затем проводят выпаривание растворителей из полученной смеси и просушивание оставшейся вязкой массы. Технический результат от реализации изобретения заключается в повышении теплопроводности полимерматричного композита с сохранением его механических свойств, а также в снижении себестоимости материала. 1 табл., 1 пр.

Формула