导热灌封胶填充料的研究

 

关键词：灌封胶；导热系数；导热填料

摘要：本文研究了导热填料的形态、粒径、添加量等参数，对导热灌封胶的黏度、导热系数、储存稳定性等性能的影响。实验结果表明，选用粒径分别为40μm与10μm的球形氧化铝，按质量比2∶1进行复配，可提高灌封胶的导热系数，降低胶料的黏度。用十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂处理填料，可降低填料的极性，使其与硅氧烷体系有很好的浸润性。当导热填料的添加量为350~400份时，制备的导热灌封胶的导热系数可达到1W·m-1·K-1以上，阻燃性达到FV-0级，具有优良的触变性和导电性能。 

 

电子产品设备的小型化和高功率化，要求导热灌封胶的导热系数也要不断提高，但导热系数高的有机硅灌封胶，其触变性相对较差，使用时很容易出现气泡，或因涂抹不均匀而影响散热效果。同时，高导热产品的储存稳定性不好，短时间内即会出现明显的沉降现象，粉料板结严重，影响产品的正常使用，还会影响有机硅灌封胶的电绝缘性能。因此，导热系数高、触变性优异、储存稳定性好，是导热灌封胶重要的研究发展方向。

导热填料是赋予有机硅灌封胶导热性能的主要材料。氧化铝、氧化镁是生产中常用的导热填料，价格适宜，具有较好的绝缘性、热稳定性及导热率。本文研究了导热填料的形态、粒径、添加量以及不同的硅烷偶联剂，对导热灌封胶的黏度、导热系数、存储稳定性等性能的影响。

 

1　实验部分1.1　实验原料

侧含氢硅氧烷（结构式 MDnDmHM，其中，n=20，m=10，自制），端乙烯基硅氧烷（乙烯基链节的摩尔百分含量 0.60%，挥发分＜ 1%，自制），铂系催化剂（3000×10-6)，氧化铝（市售，不同形态，不同粒径），硅烷偶联剂，色浆，炭黑，硅微粉，抑制剂 VMC。

1.2　主要仪器和设备

数显黏度计，立式行星动力混合机（5L），硬度计。

1.3　导热灌封胶及胶片的制备

 A 组分的制备：将端乙烯基硅氧烷、硅微粉、导热粉料和炭黑，按原料配比加入动力混合机中，在T=150℃、P ≤ -0.1MPa 的条件下进行脱真空处理2h，待物料温度降至室温后加入 Pt 催化剂。

B 组分的制备：将端乙烯基硅氧烷、硅微粉、导热粉料、抑制剂及侧含氢硅氧烷，按原料配比加入动力混合机中，在 T=150℃、P ≤ -0.1MPa 的条件下进行脱真空处理 2h，物料降温后待用。

将 A、B 组分胶按质量比 1∶1 混合均匀后，在真空箱中进行脱泡处理，然后将混合后的胶料倒入不锈钢模具中，在 50℃的硫化机上硫化 20min，得到待检测的样品。

1.4　分析方法

黏度：使用数显黏度计，根据 GB/T 2794-2013《胶黏剂黏度的测定单圆筒旋转黏度计法》进行测试。

导热系数：使用 Hot Disk 导热仪，根据 ISO22007 导热率和热扩散率的标准进行测试。

硬度、拉伸强度、断裂伸长率等均按照国家标准进行测试。

2　结果与讨论

2.1　不同形态的氧化铝对导热灌封胶的影响

氧化铝的价格适中，导热系数高，常作为绝缘导热聚合物的填料。氧化铝的形貌不同，结构稳定性也不相同，目前常用的导热氧化铝通常呈片状、类球形和球形。表 1 是氧化铝形貌对灌封胶性能的影响。从表 1 可以看出，相对于片状与类球形氧化铝，采用球形氧化铝制备的导热灌封胶，黏度更小，触变性更优。这是因为球状结构容易堆积紧密，使得填料间的接触面积大，因而具有较强的拉伸强度；结构稳定性强，且表面能小，颗粒之间不容易粘结，触变性好。片状氧化铝易形成桥状网络，填料颗粒之间容易粘附，造成流动阻力大。因此，选择球状氧化铝作为导热填料时，综合性能更优。

表 1　氧化铝形貌对灌封胶性能的影响

2.2　不同粒径的氧化铝对导热灌封胶的影响

球形氧化铝不仅具有更高的热传导率，还能赋予导热灌封胶更好的力学性能，更适合作为补强填料使用。加入不同粒径的球形氧化铝，导热灌封胶会产生不同的导热及其他性能。表 2 是不同粒径的球形氧化铝对导热灌封胶性能的影响。由表 2 可知，采用相同填充量的氧化铝时，不同的粒径对胶料的触变性及机械强度等均有影响。采用小粒径填料时，具有更好的补强效果与抗沉降性，但胶料的触变性较差；随着粒径增大，灌封胶的黏度逐渐变小，力学性能和导热系数变好；但粒径过大会导致导热灌封胶的强度下降，储存稳定性变差。这是因为导热粉料的粒径越小，其比表面积越大，容易抱团，导致胶料的黏度增大，触变性变差。实验结果表明，当球形氧化铝的粒径为 10~30μm 时，导热灌封胶在保持良好的触变性和导热性的同时，可实现对灌封胶较好的补强效果。

表 2　不同粒径的球形氧化铝对导热灌封胶性能的影响

将不同粒径的氧化铝复配后再使用，可增加颗粒间的接触面积，进而提升灌封胶的触变性和力学性能。表 3 是不同粒径的氧化铝复配使用对灌封胶性能的影响。由表 3 可知，用粒径小于 40μm与粒径小于 10μm 的复配氧化铝制备的导热灌封胶，触变性较差，随着复配氧化铝的粒径增大，胶料的黏度逐渐减小，触变性变好，导热灌封胶的力学性能、抗沉降性能、导热系数均逐渐变差。这是因为复配导热填料的粒径较小时，比表面积较大，热传导能力较强，表面聚集的羟基含量较多，粒子之间的氢键较强，但黏度较大，会减缓填料的沉降。因此，将粒径 40μm 与粒径 10μm 的球形氧化铝复配使用，不仅能在胶料体系中形成致密的堆积，而且小粒径填料的加入还可以提高导热性能和抗沉降性，大粒径填料的加入则可以降低体系的黏度，使触变性变好。

表 3　不同粒径的氧化铝复配对导热灌封胶性能的影响

2.3　不同添加量的氧化铝对导热灌封胶性能的影响

氧化铝的用量增加可有效提高灌封胶的导热性能，但用量过多会造成灌封胶的触变性能变差，黏度增大，机械性能变差。按质量比 2∶1，将 40μm与 10μm 的球形氧化铝复配使用，考察了不同用量的复配氧化铝对灌封胶性能的影响，结果见表 4。由表 4 可知，随着复配氧化铝的用量增加，胶料的导热系数逐渐增大，抗沉降性变好，胶料黏度也随之增大。这是因为胶料的热量传递主要靠声子完成，氧化铝用量较少时，其在胶料中可充分地分散，导热填料粒子之间未产生接触和作用，导热系数低；当导热填料用量达到一定值时，导热填料粒子间相互接触，形成链状或者网状的导热通路，胶料的导热率得到大幅度提升。但填料超过一定量后，胶料的黏度增加，触变性不太好，使用时容易出现气泡，或因涂抹不均匀而影响散热效果。考虑到导热灌封胶的综合性能，选择 350~400 份的氧化铝制备的胶料，应用效果较好。

表 4　不同的氧化铝用量对导热灌封胶性能的影响

2.4　用不同的硅烷偶联剂处理填料对胶料性能的影响

无机填料在有机硅聚合物体系内的分散性较差，需用硅烷偶联剂对无机填料进行特定的表面改性处理，从而在其表面引入非极性基团，使之具有亲油性，在硅氧烷体系中的浸润性好，可均匀分散，进而提高导热填料的用量和导热系数。因此，无机填料表面改性处理剂的选择，会直接影响导热灌封胶的性能。硅烷偶联剂种类对导热灌封胶性能的影响结果见表 5。由表 5 可知，与未经表面处理的填料相比，处理后的填料与有机硅氧烷之间的界面张力降低了，分散性得到有效改善，粒子之间不易黏结聚集，胶料黏度得以降低。用十六烷基三甲氧基硅烷改性填料后制备的导热灌封胶，黏度下降明显，原因是十六烷基三甲氧基硅烷是长链烷基硅烷偶联剂，更容易在填料的表面包覆，相比另外 2 种硅烷偶联剂，它的极性最小，因此降低了无机粉料的表面极性，与有机硅氧烷的相容性更好，从而极大降低了流动阻力和体系黏度。但过多的硅烷偶联剂有助于胶体的燃烧，因此十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂的加入量为 1% 时，填料的处理效果较好，胶片的阻燃性能可达 FV-0 级，胶料具有良好的触变性。

表 5　不同的硅烷偶联剂对导热灌封胶性能的影响

3　结论

近年来，受到清洁能源的政策扶持，光伏产业在全世界的发展迅速。随着 EVA 产品向着可降解、无公害、多功能化的方向发展，高透光性膜、冷库保险膜、防雾滴膜等多功能性薄膜的需求不断增长，特别是应用于太阳能板的光伏膜的需求旺盛，市场空前广阔。为此应加大 EVA 制品的开发力度，生产品质在导热填料的筛选过程中，推荐采用球形氧化铝，其价格适宜，导热系数高，制备的导热灌封胶的黏度小、触变性好。将粒径 40μm 与粒径 10μm 的球形氧化铝按质量比 2∶1 进行复配使用，既提高了填料的加入量，进而提高了导热系数，又降低了灌封胶的整体黏度。选用质量分数为 1% 的十六烷基三甲氧基硅烷偶联剂处理导热填料，可提高其在硅氧烷体系中的相容性，同时具有抗沉降性。导热填料的总添加量为 350~400 份时，可以制备出导热系数在 1W·m-1·K-1 以上、阻燃为 FV-0 级、具有优良的触变性和导电性能的导热灌封胶。

来源：化工技术与开发

作者：曲雪丽唐山三友硅业有限责任公司~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~