Способ получения полимерматричного композиционного материала с эксфолиированным нитридом бора с повышенной теплопроводностью
METHOD FOR OBTAINING A POLYMER MATRIX COMPOSITE MATERIAL WITH EXFOLIATED BORON NITRIDE WITH INCREASED THERMAL CONDUCTIVITY

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.
2
3
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 мм/с и плотности 1046 кг/м.
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.