由含碳物种官能化以提高热导率的聚合物基质的制作方法
【专利摘要】本申请公开了导热性复合材料，其包含由含碳物种官能化的聚合物基质，所述含碳物种与该聚合物基质共价连接。本申请还公开了下述方法，所述方法通常包括将含碳物种官能化并将官能化的含碳物种并入聚合物中，使得含碳物种通过偶联剂共价地结合于聚合物基质。
【专利说明】由含碳物种官能化以提高热导率的聚合物基质
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年5月9日提交的印度专利申请第1827/CHE/2012号的优先权。 通过援引将以上申请的全部内容并入本说明书中。
【技术领域】
[0003] 本公开内容涉及由含碳物种官能化以提高热导率的聚合物基质。
【背景技术】
[0004] 本部分提供与本公开内容有关的背景信息，其未必是现有技术。
[0005] 电子元器件，如半导体、晶体管等，通常具有电子元器件最佳运行的预先设计的温 度。理想的是，预先设计的温度接近周围空气的温度。但电子元器件的运行产生热量，所 述热量若不除去，则将导致电子元器件在明显高于其正常或所期望的运行温度的温度下运 行。这种过高的温度可能不利地影响电子元器件的运行特性、寿命和/或可靠性以及相关 设备的运行。
[0006] 为避免或至少降低发热所导致的不良运行特性，应当例如通过将热量从运行中的 电子元器件传导至散热片来除去该热量。散热片然后可以通过常规的对流和/或辐射技术 来冷却。在传导过程中，热量可以通过电子元器件与散热片之间的直接表面接触和/或通 过电子元器件与散热片表面隔着中间介质或热界面材料的接触，从运行中的电子元器件传 递至散热片。热界面材料可用于填充传热表面之间的间隙，从而与使间隙填充作为较差热 导体的空气的情况相比，提高传热效率。在一些设备中，也可以在电子元器件与散热片之间 设置电绝缘体，在许多情况中这就是热界面材料本身。
【发明内容】
[0007] 本部分提供本公开内容的大致概括，并非是其完整范围或其所有特征的全面公 开。
[0008] 根据各个方面，公开了导热性复合材料的示例性实施方式，所述导热性复合材料 包含由含碳物种官能化的聚合物基质，所述含碳物种与聚合物基质共价连接。还公开了下 述方法，所述方法通常包括使含碳物种官能化并将官能化的含碳物种并入聚合物中，使得 含碳物种通过偶联剂共价地结合于聚合物基质。
[0009] 通过此处所提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。本
【发明内容】
中的描述和 具体实例仅出于说明的目的，并不意在限制本公开内容的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 此处所描述的附图仅出于说明所选的实施方式的目的，而非是所有可能的实施， 这些附图并不意在限制本公开内容的范围。
[0011] 图1描绘了基质官能化的一个实例。
[0012] 图2是官能化的石墨烯的FTIR(傅立叶变换红外）光谱，其中在1384CHT1和 lOlScnT1处的峰表明在石墨烯纳米片的表面上存在硅酮链。
[0013] 图3是官能化的石墨烯的EDS(能量色散）谱，其显示了官能化的石墨烯中存在 硅、氧和碳。
[0014] 图4是官能化的碳纳米管（CNT)聚合物复合材料的扫描电子显微镜照片。
[0015] 图5是在聚合物基质中包含未官能化的多壁纳米管的纳米复合材料的扫描电子 显微镜照片。
[0016] 图6是根据本技术的示例性实施方式的在聚合物基质中包含乙烯基官能化的多 壁纳米管的纳米复合材料的扫描电子显微镜照片。
[0017] 图7是根据本技术的示例性实施方式的在聚合物基质中具有不同重量百分比的 乙烯基官能化的多壁纳米管的示例性纳米复合材料以及在聚合物基质中包含未官能化的 多壁纳米管的纳米复合材料的热分解百分比对温度（摄氏度）的示例性线形图。
【具体实施方式】
[0018] 现在将参照附图更加全面地描述示例性实施方式。
[0019] 本发明人已经认识到，对于热界面材料（例如，间隙填料等）和其他材料（例如， 导热和/或导电性塑料等），通过提高基质的热导率而不必在基质中进一步并入或提高导 热性填料的加载量，可以实现更高的热导率。因此，本发明人开发并在此公开了由含碳物种 官能化的聚合物基质的示例性实施方式，所述聚合物基质可以与例如热界面材料、导热和/ 或导电性塑料等一起使用。在此还公开了提高聚合物基质的热导率的示例性方法，所述方 法将含碳物种官能化并将官能化的含碳物种并入所述聚合物中，使得含碳物种通过偶联剂 共价地结合于聚合物基质。此官能化产生了聚合物基质和所获得的由该增强的聚合物基质 形成的导热性复合材料的提高的热导率。因此，本公开内容的各方面也涉及通过将含碳物 种官能化至基质的聚合物中而实现的基质增强。官能化的热增强基质可以用于例如热界面 材料、导热性塑料、导热和/或导电性塑料等。
[0020] 在示例性实施方式中，导热性复合材料的电导率基于官能化水平而可调。所以，取 决于官能化的变化，导电性复合材料由此可以是电绝缘性或导电性复合材料。
[0021] 在示例性实施方式中，一种或多种含碳物种与聚合物基质共价地连接（例如，接 合、结合等）或者共价地连接于聚合物基质，其在保持电绝缘性的同时提高了热导率，使得 所获得的复合材料是电介质或电绝缘体。在此类实施方式中，聚二甲基硅氧烷（PDMS)链通 过作为基质的一部分的偶联剂（例如，MPTMS(3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）等） 共价地连接于石墨烯纳米片、石墨烯或石墨烯氧化物。聚合物基质中官能化的石墨烯的百 分比可以为约0.001V% (体积百分比）?约5V%。官能化分子可以是PDMS和/或PDMS 衍生物。作为实例，由石墨烯对硅酮基质的官能化（参见例如图1等）可以将硅酮基质的 热导率提高约20%?约40%。官能化的基质可以具有电绝缘性。
[0022] 图1描绘了基质官能化以及表现固化过程中与硅酮反应的乙烯基的一个实例。图 2是显示透射率百分比对波数的官能化的石墨烯的FTIR(傅立叶变换红外）光谱。图2中 1384CHT1和1015CHT1处的峰表明石墨烯纳米片表面上存在硅酮链。图3是显示计数对能量 (千电子伏（keV))的官能化的石墨烯的EDS(能量色散）谱。图3中的峰显示官能化的石 墨烯中硅、氧和碳的存在。图4是官能化的碳纳米管（CNT)聚合物复合材料的扫描电子显 微镜照片。
[0023] 在示例性实施方式中，石墨烯纳米片通过石墨烯纳米片边缘的羟基与3-甲基丙 烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS)之间经由O-Si基团的共价结合而在石墨烯纳米片表 面上引入双键的反应而官能化。参见下图，其表示的是石墨烯边缘的-OH基团与MPTMS之 间的反应。
[0024]
【权利要求】
1. 一种材料，所述材料包含由含碳物种官能化的聚合物基质，所述含碳物种与所述聚 合物基质共价连接。
2. 如权利要求1所述的材料，其中，所述含碳物种通过作为所述聚合物基质的一部分 的偶联剂共价地结合于所述聚合物基质。
3. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中： 所述含碳物种具有小于100纳米的至少一个维度；和/或 所述官能化分子是所述聚合物基质的一部分。
4. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中，所述聚合物基质包含两部分型硅酮基 质，所述两部分型硅酮基质包含可充当所述偶联剂的第一部分和可充当官能化分子的第二 部分。
5. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中，所述聚合物基质包含3-甲基丙烯酰氧 基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS)和聚二甲基硅氧烷（PDMS)。
6. 如权利要求5所述的材料，其中： 所述含碳物种通过MPTMS共价地结合于所述聚合物基质；和/或 所述PDMS可充当官能化分子。
7. 如权利要求5或6所述的材料，其中，PDMS链共价地连接到所述含碳物种。
8. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中： 所述官能化分子包含聚二甲基硅氧烷（PDMS)或其衍生物；和/或 聚二甲基硅氧烷（PDMS)链共价地连接到所述含碳物种。
9. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中，所述含碳物种包含石墨烯、石墨烯纳米 片、剥离型石墨烯纳米片、石墨烯氧化物、碳纳米管、多壁碳纳米管和/或单壁碳纳米管。
10. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中： 由官能化的含碳物种对所述聚合物基质的所述官能化提高了所述聚合物基质的热导 率，同时保持了电绝缘性，使得官能化的聚合物基质具有导热性和介电性；和/或 由官能化的含碳物种对所述聚合物基质的所述官能化提高了热导率，而不必增加所述 聚合物基质中导热性填料的加载量。
11. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中，由3重量％ (重量百分比）的PDMS官 能化的石墨烯来官能化所述聚合物基质，由此所述PDMS链锚定于所述石墨烯的表面上而 保持了官能化的聚合物基质的介电性和电绝缘性。
12. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中： 所述含碳物种包含剥离型石墨烯纳米片；并且 所述聚合物基质包含由所述剥离型石墨烯纳米片官能化并且包含至少一种导热性填 料的娃丽基质。
13. 如权利要求12所述的材料，其中，官能化的硅酮基质包含2重量％ (重量百分比） 剥离型石墨烯纳米片和47重量％ (重量百分比）氮化硼。
14. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中： 所述材料在所述聚合物基质中包含约〇. 001体积百分比（体积％ )?约5体积百分比 的官能化石墨稀；和/或 所述聚合物基质的所述官能化将所述聚合物基质的热导率提高约20%?约40% ;和/ 或 所述材料具有4瓦/米?开尔文以上的热导率；和/或 所述材料在官能化的聚合物基质中还包含至少一种导热性填料，从而提高热导率。
15. 如前述权利要求中任一项所述的材料，其中，电导率基于官能化水平而选择性可 调，使得所述材料是电绝缘的或导电的。
16. -种热界面材料，所述热界面材料包含前述权利要求中任一项所述的材料。
17. -种导热性复合材料，所述导热性复合材料包含权利要求1?15中任一项所述的 材料。
18. -种适型性热界面材料，所述适型性热界面材料包含权利要求1?15中任一项所 述的材料，由此使所述适型性热界面材料适合用于填充至少两个表面之间的间隙，从而在 所述至少两个表面之间传热。
19. 一种提高聚合物基质的热导率的方法，所述方法包括使含碳物种官能化，并将官能 化的含碳物种并入所述聚合物基质中，使得所述含碳物种通过偶联剂共价地结合于所述聚 合物基质。
20. 如权利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物种包含石墨烯纳米片；并且 所述聚合物基质包含两部分型硅酮，所述两部分型硅酮包含可充当所述偶联剂的第一 部分和可充当官能化分子的第二部分。
21. 如权利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物种包含石墨烯纳米片；并且 所述方法包括： 通过所述石墨烯纳米片边缘的羟基与所述偶联剂之间经由共价结合而在所述石墨烯 纳米片表面上引入双键的反应来官能化所述石墨烯纳米片；和 使所述石墨烯纳米片表面上的所述双键反应。
22. 如权利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物种包含石墨烯纳米片；并且 所述方法包括： 通过所述石墨烯纳米片边缘的羟基与所述偶联剂之间经由O-Si基团的共价结合而在 所述石墨烯纳米片表面上引入双键的反应来官能化所述石墨烯纳米片；和 使所述石墨烯纳米片表面上的所述双键与官能化分子上的Si-H基团反应。
23. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括将官能化的石墨烯片并 入所述聚合物基质中，并固化所述聚合物基质与官能化的石墨烯片。
24. 如权利要求19所述的方法，其中： 所述含碳物种包含石墨烯纳米片； 所述聚合物基质包含3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS)和聚二甲基硅氧 烷（TOMS); 所述方法包括： 通过所述石墨烯纳米片边缘的羟基与所述MPTMS之间经由O-Si基团的共价结合而在 所述石墨烯纳米片表面上引入双键的反应来官能化所述石墨烯纳米片；和 使所述石墨烯纳米片表面上的所述双键与PDMS链上的Si-H基团在足够的温度下在钼 类催化剂存在下通过硅氢化反应进行反应，从而使PDMS链缠绕在所述石墨烯片周围。
25. 如权利要求24所述的方法，其中，所述方法包括将PDMS官能化的石墨烯片并入所 述聚合物基质中，并固化所述聚合物基质和PDMS官能化的石墨烯片，以获得凝胶。
26. 如权利要求25所述的方法，其中，在所述固化过程中，所述PDMS官能化的石墨烯 片因所述石墨烯表面上的所述双键与所述聚合物基质中的所述聚二甲基硅氧烷（PDMS)的 Si-H基团之间的反应而成为所述硅氧烷网络的一部分。
27. 如权利要求25或26所述的方法，其中： 所述硅氢化反应在约150°C的温度发生；和/或 所述固化在约150°C的温度发生。
28. 如权利要求21、22、24、25、26或27中的任一项所述的方法，其中，所述反应在室 温?200°C的温度发生。
29. 如权利要求23、25、26或27中的任一项所述的方法，其中，所述固化包括在室温使 用紫外线照射。
【文档编号】C08K3/04GK104284940SQ201380023943
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年4月1日 优先权日:2012年5月9日
【发明者】S·R·乔杜里, P·P·苏达尔沙那, 斯里尼瓦桑·杜赖斯瓦米 申请人:莱尔德技术股份有限公司