导热高分子材料应用

导热高分子材料应用

摘要：综述了各种高导热填料的研究进展和它们在导热高分子材料中的应用。最后提出了导热高分子材料的研究方向。

关键词：石墨导热材料导热绝缘胶粘剂导热节能胶粘剂

传统的导热物质多为金属如Ag、Cu、A l和金属氧化物如A l2O3、MgO、BeO以及其它非金属材料如石墨、炭黑、Si3N4、A lN。部分材料的热导率见图一。另据报道导电有机物质包括聚乙炔、聚亚苯基硫醚、聚噻吩等也具有良好的导热性。用导电性有机物质作填料可以改善材料的相容性、加工性、导热性能,并可以减小材料的密度,且导电有机物质在不纯的情况下将成为绝缘体。

随着工业生产和科学技术的发展,人们对导热材料提出了新的要求,希望材料具有优良的综合性能。如在化工生产和废水处理中使用的热交换器既需要所用材料具有导热能力,又要求其耐化学腐蚀、耐高温。在电气电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路的体积成千成万倍地缩小,则需要高散热性的导热绝缘材料。

近几十年来,高分子材料的应用领域不断拓展，用人工合成的高分子材料代替传统工业中使用的各种材料,特别是金属材料,已成为世界科研努力的方向之一。由于高分子材料大多是热的不良导体(见图二,为了制造具有优良综合性能的导热材料,一般都是用高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充。这样得到的导热材料价格低廉、易加工成型,经过适当的工艺处理或配方调整可以应用于某些特殊领域。

1.石墨导热材料

换热器是化工、制药、食品、能源等工业部门广泛应用的通用设备。碳钢和不锈钢导热性很好,然而在特定的情况下,特别是有腐蚀性化学物质时,则不能适应要求。高分子材料虽然化学稳定性优异,但热导率较低。用石墨作为导热填料以改性酚醛树脂为粘结剂制成酚醛/石墨导热塑料,既保留了塑料优异的耐腐蚀性能,又有与金属相近的导热性能。

上图显示出石墨含量对热导率的影响,所用石墨的热导率为134W /(m K),而改性酚醛树

脂的热导率仅为0. 13～0. 14W /(m K),因此在传热过程中,材料的热阻主要来自热导率较小的树脂。当石墨含量为50%～60%时,树脂含量较多,此时随石墨含量的增加,只能使石墨颗粒粘接面的树脂层厚度减薄,而不能使树脂粘接面网络的密度下降,故材料的热导率变化较小;当石墨含量增至60%～80%时,导致树脂粘接面网络密度减小,石墨与石墨接触面增大,故而使材料导热率大幅度提高,当石墨含量超过80%时,一方面树脂粘接面网络受到进一步破坏而使材料热导率上升,另一方面一部分石墨间隙被空气填充使热导率下降,综合这两个因素的影响,故材料的热导率又趋平缓。

另外还有石墨填充聚乙烯、氯化聚乙烯等材料制造换热器、导热器、太阳能热水器等的有关报道。

2.导热绝缘胶粘剂

在当代电子技术革命的浪潮中,电子电气材料领域急需导热绝缘材料。如半导体管陶瓷基片与铜座的粘合、管心的保护、管壳的密封,整流器、热敏电阻器的导热绝缘,微包装中多层板的导热绝缘组装等需要不同工艺性能的导热绝缘胶。

王铁如成功研制出用L-1型填料填充的各种环氧改性,用自制固化剂固化的胶粘剂。其胶的主要性能为:热导率λ= 1. 14W /(m K)(77℃);体积电阻率>1012Ψm,湿热试验后仍>1012Ψm;表面电阻率>1014Ψm,湿热试验后仍>1014Ψm;电气强度>25MV /m;粘接强度>500 N /cm2;工作温度(长期) 200～250℃。该胶具有多种功能,既可作导热酯,又可作胶粘剂、涂料、灌封料。石红用氮化铝填料改性环氧胶,其热导率为1. 20W /(m K),体积电阻率1. 34×101Ψm,表面体积电阻率1. 04×1013Ψm,击穿电压9. 8MV /m。另外还有HTW 10、GWC导热酯,具体性能见图三。

3.导热节能胶粘剂

化工部北京化工研究院研制成功两种TM型胶粘剂。其中TM-Ⅰ型是无机型导热胶粘剂,其主要成分为鳞片状石墨及硅酸盐类无机胶粘剂,该种胶粘剂热导率大,传热效率高,适用温度范围广(-190～370℃),TM-Ⅱ型是有机型导热胶粘剂,是以高纯度结晶型石墨为导热材料,以有机高分子物质为粘接剂,并加入其它适量助剂而制成的一种单组分导热材料。该种导热胶粘剂化学稳定性好,强度高,耐水性好,贮存及施工方便,可在-190～190℃范围使用。其性能指标见图四。

上海无机化工研究所研究成功L-90导热泥。固化型导热泥是以热固性树脂(环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂)为基本材料加以改性,添加固化剂使高分子树脂发生交联反应形成网络状结构。L-90型树脂导热泥主要成分如下: (1)改性的热固性树脂; (2)炭黑或石墨; (3)固化剂-A; (4)促进剂-B;(5)增塑剂; (6)其它助剂。L-90导热泥是一种节能新材料,该产品在化工、石油、制药、食品等工业领域有着广阔的应用前景。

4.小结

在制备导热高分子材料中,应根据产品的使用要求选择适当的树脂、填料,并对填料进行预处理以改善填料和树脂的界面性能。导热材料的出现既扩大了高分子材料的应用范围,又拓宽了传热材料的研究领域。目前主要研究方向为: (1)对现有导热填料进行改性,改善其综合性能; (2)研究发现新型导热填料,如高取向填料、立体网状填料; (3)探索本征导热高分子材料的可能性,并使之达到实用的要求,这一点将是导热材料研究最富有挑战性的领域。

5.参考文献

[1]W arrenM, Rohsenow.李荫亭译传热学手册.科学出版社1985, 12

[2]江华.现代化工(M odern Chem istry), 1991，5

[3]翟海潮.粘接与表面涂装技术.化学工业出版社, 1993, 12

[4]石彤非.高分子材料科学与工程, 1993, 5

[5]屠传经.热传导.高等教育出版社, 1992, 8