一种导热相变聚氨酯复合弹性体及其制备方法与流程

本发明属于导热复合弹性体，特别涉及一种导热相变聚氨酯复合弹性体及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子元器件小型化、集成化和高功率化的发展，导致芯片单位面积热流密度迅速增加，电子元器件的温度急剧升高。高温易导致电子元器件产生老化、应力变形、寿命缩短以及功能失常等问题。因此，散热问题成为影响电子元器件的性能和使用寿命的关键因素之一。导热相变复合弹性体是热量增强聚合物，设置于电子元器件和散热片之间。导热相变复合弹性体在相变过程中吸收热量并软化，提升其与电子元器件和散热片之间的贴合性，进而可使热阻降低至最小，为电子元器件提供热缓冲和温度控制，降低电子器件的运行温度。

2、传统的导热相变材料主要有固-固和固-液两种。固-固导热相变材料的聚合物基体包括聚醚/聚酯多元醇、聚氨酯以及有机硅材料等，其在相变时无液体产生且体积变化较小，因而具有安全可靠、不易发生相分离等优点。固-液导热相变材料的主要组成包括石蜡、脂肪酸/酯等有机类以及水合无机盐、高温熔融盐和金属合金等无机类，具有潜热大的优点，但发生固-液相变后存在液体泄漏以及缺乏柔性的缺点。总的来说，与固-液相变材料相比，固-固相变材料具有更好的可靠性。导热相变复合弹性体作为固-固导热相变材料，其在施工时呈现固态，操作方便，而工作时软化为凝胶态，达到类似“凝胶态”和焊接式热界面材料的效果，可最大化地填充界面空隙，有效降低接触热阻。再者，导热相变复合弹性体还可以在热冲击时吸收一定的热量，以降低瞬态热流对芯片冲击造成的危害。因此，将导热相变复合弹性体引入热界面材料领域有望获得兼具储热和导热双功能的新型热界面材料。

3、对于需要持续稳定工作的电子器件，安全运行的最高温度不能超过85℃，温度过高会导致芯片损坏。已有研究表明，高温失效占电子设备失效原因的比例高达55％，如温度在70～80℃内，单个电子元器件的温度每升高10℃，系统可靠性降低50％[1]。因此，为保证电子器件工作的可靠性和稳定性，需要使其工作温度维持在合适的范围内。导热相变聚氨酯因具有较高的耐磨性、储能密度及高低温可靠性和易于加工等优点，成为了应用最广泛的有机相变材料之一。然而，纯导热相变聚氨酯材料一般热导率低，限制了其在导热领域的应用。聚氨酯材料由于其分子链中存在热力学不相容的软段和硬段而形成相分离的微区结构，软段间的聚集作用和硬段的紧密堆砌作用分别产生软段和硬段的结晶微区[2]。当加热时，温度迅速上升以致结晶的聚氨酯分子链段熔融，吸收热量。温度降低时，聚氨酯分子链段形成晶体，实现能量的释放。与聚氨酯分子链段在温度的刺激下所具有的热响应类似，热响应聚合物在温度刺激下具有不同的结构和功能，近年来，研究人员对热响应聚合物的结构和功能在医疗弹性体应用领域中开展了系统地研究，但在电子元器件领域的应用研究较少。

4、参考文献：

5、[1]杜鹏,周庆忠,郑涵文,等.用于高密度集成微系统的微通道散热技术研究进展[j].微电子学与计算机,2023,40(1):10.

6、[2]wang h,zhang l,peh k w e,et al.effect of phase separation andcrystallization on enthalpy relaxation in thermoplastic polyurethane[j].macromolecules,2022,55(19):8566-8576.

技术实现思路

1、为了解决现有技术中固-固导热相变材料工作温度高，热导率低的问题，本发明提供了一种导热相变聚氨酯复合弹性体的制备方法。

2、该导热相变聚氨酯复合弹性体的制备方法包括以下步骤：

3、将含有直链饱和脂肪链的一元醇、六亚甲基二异氰酸酯三聚体、聚四氢呋喃二醇和改性填料在高速混料机中真空状态下共混，加入催化剂，再次混合，压延，固化，

4、其中，直链饱和脂肪链的碳原子数为10、30或50；

5、所述聚四氢呋喃二醇单体分子量为2000g/mol；

6、所述含有直链饱和脂肪链的一元醇所提供的羟基的物质的量占异氰酸酯基团的物质的量的10％-20％；

7、所述改性填料占所述导热相变聚氨酯复合弹性体总质量的75-85％。

8、进一步地，固化温度为80℃，固化时间为6小时；

9、所述含有直链饱和脂肪链的一元醇单体分子量为3000-12000g/mol；

10、所述改性填料的粒径在0.1 -100μm。

11、进一步地，所述直链饱和脂肪链的碳原子数为10，所述含有直链饱和脂肪链的一元醇单体分子量为3000g/mol。

12、进一步地，所述改性填料为经偶联剂处理的金属氧化物，所述金属氧化物选自氧化铝、铝、氧化锌、氢氧化铝、氢氧化镁中的一种或多种。

13、进一步地，所述导热相变聚氨酯复合弹性体的制备方法包括以下步骤：

14、将含有直链饱和脂肪链的一元醇、六亚甲基二异氰酸酯三聚体、聚四氢呋喃二醇和改性填料装入混料罐中，利用高速混料机将其在真空状态下混合均匀，然后加入一定量的催化剂，再次混合均匀，用压延机进行压延，得到厚度约为2mm未固化的导热相变聚氨酯复合弹性体，将其放入烘箱中进行热固化，固化温度/时间为：固化温度为80℃，固化时间为6h，

15、其中，所述含有直链饱和脂肪链的一元醇所提供的羟基的物质的量占异氰酸酯基团的物质的量的10％，所述改性填料占所述导热相变聚氨酯复合弹性体的总质量的75％。

16、本发明的一个目的是提供一种导热相变聚氨酯复合弹性体。

17、该导热相变聚氨酯复合弹性体通过以上所述的导热相变聚氨酯复合弹性体的制备方法制备。

18、进一步地，导热相变聚氨酯复合弹性体包括硬链段、软链段、末端结构和改性填料，六亚甲基二异氰酸酯三聚体中的杂氮环为所述硬链段，所述六亚甲基二异氰酸酯三聚体中的支链与聚四氢呋喃二醇反应，形成所述软链段，含有直链饱和脂肪链的一元醇与所述六亚甲基二异氰酸酯三聚体中的支链反应，形成所述末端结构，所述改姓填料占所述导热相变聚氨酯复合弹性体总质量的75-85％。

19、进一步地，所述含有直链饱和脂肪链的一元醇单体分子量为3000-12000g/mol；

20、所述改性填料的粒径在0.1 -100μm。

21、进一步地，所述直链饱和脂肪链的碳原子数为10，所述含有直链饱和脂肪链的一元醇单体分子量为3000g/mol；

22、所述改性填料为经偶联剂处理的金属氧化物，所述金属氧化物选自氧化铝、铝、氧化锌、氢氧化铝、氢氧化镁中的一种或多种。

23、进一步地，所述导热相变聚氨酯复合弹性体的导热系数在0.5-3w/mk，相变温度在20-50℃。

24、本专利从热响应聚合物的分子链结构的设计出发，将具有不同侧链分子量的热响应聚合物基体引入导热相变复合弹性体中，利用热响应聚合物的侧链分子量不同从而具有不同的相变温度的特点，并填充球形铝粉实现导热相变复合弹性体的导热系数(0.85-3w/mk)和特定的相变温度范围(20℃-50℃)，解决了现有技术中固-固导热相变材料工作温度高，热导率低的问题，提高了电子元器件的系统可靠性和稳定性。