Теплопроводящий компаунд для герметизации
THERMAL CONDUCTING COMPONENT FOR SEALING

Изобретение относится к области полимерных компаундов для герметизации технических изделий и систем, при работе которых требуется осуществлять эффективный отвод избыточной тепловой энергии.
Известны различные композиционные полимерные материалы, в том числе компаунды, применяемые для высоковольтной герметизации объектов различного назначения, выделяющих в рабочих режимах значительные количества тепловой энергии, когда требуется непрерывный отвод этой энергии от поверхностей работающих технических устройств. Известны теплопроводящие компаунды для герметизации, компаунды и клеи, составы этих материалов и способы их целевого применения. Перечисленные материалы широко применяют в изделиях электронной техники (ИЭТ), электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), в специальных технических изделиях различного назначения.
Известен электроизоляционный состав на основе эпоксидных смол, аминного отвердителя и наполнителей: оксида алюминия и нитрида бора (АС СССР №643978). Однако большая исходная вязкость служит основным препятствием для технологического применения этого состава.
Известна электроизоляционная композиция (АС СССР №1078470) на основе наполненной эпоксидной диановой смолы. Основным недостатком композиции является то, что для ее применения необходимо значительное повышение температур в процессе нанесения ее на поверхность. Другим недостатком является техническая проблема, возникающая при снятии отвердевшей композиции с залитых ею электротехнических элементов (например, дросселей), когда из-за технологической ошибки возникает необходимость в проведении повторных операций нанесения.
Известны многочисленные зарубежные теплопроводящие композиционные материалы с диэлектрическими свойствами. Можно упомянуть в частности компаунд для герметизациии Sylgard 160 со значением теплопроводности 0,62 Вт/(м*K), Dow Corning 9184 со значением теплопроводности 0,84 Вт/(м*K), компаунд Q3-3600 со значением теплопроводности 0,77 Вт/(м*K), а также различные теплопроводящие пасты, например, Dow Corning 340 со значением теплопроводности 0,68 Вт/(м*K), Dow Corning SC 102 со значением теплопроводности 0,85 Вт/(м*K) и ряд других. Основными недостатками перечисленных материалов являются не всегда достаточный уровень теплопроводности и зарубежное происхождение.
Известны теплопроводящие пасты, смазки, фольга с покрытием, заполняющим неровности поверхности изделия (парафины, воски), материалы на стекловолоконной основе, заполненные силиконовым каучуком производства компании Berquist, а также другие инновационные теплорассеивающие полимерные композиты («Силовая электроника» №2, 2008, стр. 118-123, «Силовая электроника» №3, 2012, стр. 48-52). К их недостаткам следует отнести: зарубежное происхождение компонентов, ограниченные технологические возможности при применении, несоответствие ряду эксплуатационных требований к отечественным объектам герметизации, а также высокие цены.
Известен ряд отечественных силиконовых компаундов для герметизации и компаундов со свойствами теплопроводности. Среди них следует упомянуть компаунды Силагерм-2112, Силагерм-2142 и их традиционные аналоги, например компаунд для герметизации Виксинт У-4-21. Однако эти материалы обладают теплопроводностью в пределах 0,5-0,7 Вт/(м*K) и предназначены, прежде всего, для высоковольтной герметизации.
Известен отечественный компаунд КТК-1 (ТУ 2252-037-89021704-2013) со значением коэффициента теплопроводности 1,1 Вт/(м*K), предназначенный для заливки изделий радио и электротехнической аппаратуры. Его получают смешением двух компонентов при комнатной температуре. Однако, при достаточной теплопроводности компаунд значительно уступает по прочности и эластичности большинству известных силиконовых компаундов.
Известны компаунды группы КПТД-1/1, выпускаемые фирмой «НОМАКОН» по ТУ РБ 100009933.004-2001. К ним относятся компаунды 1Л-1,00; 1Л-1,50; 1Л-2,50 с хорошими диэлектрическими показателями, но с теплопроводностью не выше 0,50 Вт/(м*K), что в большинстве случаев не достаточно. Кроме того, в таблицах по данным материалам не приводятся сведения по физико-механическим характеристикам, что заставляет сделать предположение об их недостаточно высоких значениях. Несколько лучшей теплопроводностью обладают компаунды КПТД-1/1, отнесенные к разряду «тяжелых». Это компаунды 1Т-5,50; 1Т-8,50; 1Т-12,5. За счет значительного увеличения вязкости в данном случае удается добиться уровня теплопроводности не более 1,00 Вт/(м*K). Но при этом снижается уровень параметров, определяющих технологичность целевого применения компаундов. Из-за недостаточной полноты приводимых данных трудно судить о прочности и эластичности вулканизатов рассматриваемых компаундов. Однако по своему составу, принципам целевого применения, технологическим свойствам, по основным свойствам образуемых вулканизатов компаунды КПТД-1/1 «НОМАКОН» по ТУ РБ 100009933.004-2001 наиболее близки к заявляемому теплопроводящему компаунду для герметизации и приняты в качестве прототипа.
Задачей настоящего изобретения является создание теплопроводящего компаунда для герметизации, предназначенного для технических изделий и систем, при работе которых требуется осуществлять эффективный отвод избыточной тепловой энергии. Компаунд должен сочетать необходимый уровень технологических характеристик (относительно низкую исходную вязкость, удовлетворительные заливочные свойства, высокую жизнеспособность) со значительным уровнем теплопроводности, диэлектрических и физико-механических свойств.
Технический результат изобретения заключается в том, что теплопроводящий компаунд для герметизации на основе силиконовых эластомеров и силиконовых олигомеров представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, наполненную мелкодисперсными агломератами частиц с различными структурами и теплопроводящими свойствами, и обладает необходимым уровнем теплопроводности, диэлектрических и механических свойств в сочетании с технологическими свойствами, а именно, незначительной исходной вязкостью, достаточной жизнеспособностью и оптимальным временем полного отверждения.
Технический результат достигается тем, что теплопроводящий компаунд для герметизации состоит из двух компонентов: полимерсодержащей основы (компонент А) и отверждающей смеси (компонент Б), соединяемых в массовых соотношениях: на 100 масс. ч. компонента А от 5 масс.ч. до 10 масс.ч. компонента Б, причем компонент А представляет собой смесь низкомолекулярного силиконового каучука с молекулярной массой 20000-60000 у.е. и силиконового олигомера с карбидом кремния и оксидом кремния в форме кварца молотого пылевидного при следующем соотношении составляющих ингредиентов, масс. ч.:
каучук низкомолекулярный силиконовый,
выбранный из СКТН марки А и СКТН марки Б
100
силиконовый олигомер, выбранный из ПМС-50 или ПМС-100
15-35
карбид кремния
60-220
оксид кремния, выбранный из кварца
молотого пылевидного марки Б
100-280
а компонент Б представляет собой смесь этилсиликата и оловоорганической соли, выбранной из октоата олова и диэтилдикаприлата олова; компонент Б может дополнительно включать силиконовый олигомер при следующем соотношении составляющих ингредиентов, масс. ч:
этилсиликат, выбранный из ЭС-32 и ЭС-40
100
катализатор - оловоорганическая соль,
выбранная из октоата олова и диэтилдикаприлата олова
6-20
силиконовый олигомер, выбранный из ПМС-50
до 40
В составе заявляемого теплопроводящего компаунда для герметизации применяются следующие компоненты (Таблица 1).
В таблице 2 приведены данные по составу компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации. В таблице 3 приведены данные по составу компонента Б теплопроводящего компаунда для герметизации. В таблице 4 приведены данные по составу теплопроводящего компаунда для герметизации. В таблице 5 приведены данные по характеристикам теплопроводящего компаунда для герметизации. В таблице 6 приведены сравнительные характеристики теплопроводящего компаунда для герметизации, его прототипа и аналогов.
Далее приведены конкретные примеры получения компонента А и компонента Б и примеры получения заявляемого теплопроводящего компаунда для герметизации.
Пример 1
Приготовление компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г каучука СКТН марки А. Помещают в емкость 20 г силиконового олигомера ПМС-50 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 60 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, кварц молотый пылевидный в количестве 280 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.
Пример 2
Приготовление компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г каучука СКТН марки А, помещают в емкость 15 г силиконового олигомера ПМС-50 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 140 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Зачем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, кварц молотый пылевидный в количестве 180 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.
Пример 3
Приготовление компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г каучука СКТН марки Б. Помещают в емкость 35 г силиконового олигомера ПМС-100 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 220 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, кварц молотый пылевидный в количестве 120 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.
Пример 4
Приготовление компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г каучука СКТН марки Б. Помещают в емкость 25 г силиконового олигомера ПМС-100 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 80 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, кварц молотый пылевидный в количестве 250 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.
Пример 5
Приготовление компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г каучука СКТН марки А. Помещают в емкость 30 г силиконового олигомера ПМС-100 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 100 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, кварц молотый пылевидный в количестве 220 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.
Пример 6
Приготовление компонента Б теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г этилсиликата-40. Добавляют 8 г октоата олова и тщательно перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.
Пример 7
Приготовление компонента Б теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г этилсиликата-40. Добавляют 10 г октоата олова и тщательно перемешивают. Добавляют 25 г силиконового олигомера ПМС-50 и вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.
Пример 8
Приготовление компонента Б теплопроводящего компаунд для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г этилсиликата-32. Добавляют 16 г диэтилдикаприлата олова и тщательно перемешивают. Затем добавляют 20 г силиконового олигомера ПМС-50, вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.
Пример 9
Приготовление компонента Б теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г этилсиликата-40. Добавляют 25 г диэтилдикаприлата олова и тщательно перемешивают. Затем добавляют 35 г силиконового олигомера ПМС-50 и вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.
Пример 10
Приготовление компонента Б теплопроводящего компаунда для герметизации. Взвешивают в емкости для смешивания 100 г этилсиликата-40. Добавляют 15 г диэтилдикаприлата олова и тщательно перемешивают. Затем добавляют 40 г силиконового олигомера ПМС-50 и вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.
Пример 11
Приготовление теплопроводящего компаунда для герметизации. При приготовлении компаунда для герметизации в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 1 (табл. 2). Добавляют 7 г компонента Б, состав 2 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин и компаунд для герметизации передают для технологического применения.
Пример 12
Приготовление теплопроводящего компаунда для герметизации. При приготовлении компаунда для герметизации в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 3 (табл. 2). Добавляют 5 г компонента Б, состав 4 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин и компаунд для герметизации передают для технологического применения.
Пример 13
Приготовление теплопроводящего компаунд для герметизации. При приготовлении компаунда для герметизации в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 6 (табл. 2). Добавляют 10 г компонента Б, состав 6 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин и компаунд для герметизации передают для технологического применения.
Пример 14
Приготовление теплопроводящего компаунда для герметизации. При приготовлении компаунда для герметизации в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 3 (табл. 2). Добавляют 8 г компонента Б, состав 9 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин и компаунд для герметизации передают для технологического применения.
Пример 15
Приготовление теплопроводящего компаунда для герметизации. При приготовлении компаунда для герметизации в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 8 (табл. 2). Добавляют 6 г компонента Б, состав 10 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин и компаунд для герметизации передают для технологического применения.
При разработке теплопроводящего компаунда для герметизации необходимо выполнение нескольких согласованных требований, а именно:
- теплопроводящие свойства компаунда для герметизации должны по значениям быть не ниже, чем у материала, принятого в качестве прототипа;
- должна быть обеспечена технологичность применения компаунда для герметизации, то есть сочетание оптимального уровня вязкотекучих свойств, жизнеспособности и времени полного отвержения;
- должен быть сохранен необходимый уровень физико-механических и диэлектрических свойств заявляемого теплопроводящего компаунда.
Из представленного выше описания, данных приведенных таблиц и конкретных примеров следует, что с учетом указанных требований был осуществлен выбор совмещаемых компонентов и количественных соотношений ингредиентов в составе каждой из двух частей компаунда для герметизации (компонент А и компонент Б). Оптимальное соблюдение основных требований достигается тем, что компаунд для герметизации на основе силиконового каучука, наполнителей, пластификаторов и системы отверждения состоит из двух частей. Основа, компонент А, состоит из смеси низкомолекулярного силиконового каучука, силиконового олигомера, наполнителей: карбида кремния и оксида кремния в форме кварца молотого пылевидного. Компонент Б вводится в контакт с компонентом А и представляет собой систему отверждения, включающую этилсиликат, оловоорганическую соль и дополнительно силиконовый олигомер.
В основе разработки диэлектрического теплопроводящего компаунда для герметизации с повышенной теплопроводностью заложены факторы физической и химической совместимости применяемых ингредиентов при их количественных пределах в составе основы теплопроводящего компаунда для герметизации (компонент А). Определяющую роль играют также количественные соотношения его с компонентом Б. Результатом является получение вулканизатов теплопроводящего компаунда для герметизации при достижении необходимого и достаточного уровня основных характеристик.
Применение в качестве исходной полимерной основы низкомолекулярных каучуков СКТН позволяет обеспечить сочетание термической стабильности, и морозостойкости вулканизатов теплопроводящего компаунда для герметизации при сохранении эластичности в широком интервале температур. При применении каучуков молекулярной массы со значением менее 20 000 не достигается необходимая прочность вулканизатов теплопроводящего компаунда для герметизации. При применении каучуков молекулярной массой со значением более 60 000 вследствие повышенной вязкости не удается вводить необходимых количеств теплопроводящих наполнителей. Применение каучука низкомолекулярного силиконового, выбранного из СКТН марки Аи СКТН марки Б, позволяет обеспечить термическую устойчивость теплопроводящего компаунда для герметизации и его устойчивость к действию пониженных температур в широком диапазоне эксплуатационных условий, необходимых для изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры, а также оптимальную наполняемость полимерной матрицы компонента А теплопроводящими наполнителями. Массовое соотношение ингредиентов компонента А позволяет сохранять его вязкотекучие свойства в широком интервале технологических условий.
Выбор карбида кремния и оксида кремния (кварц молотый пылевидный марки Б) в качестве наполнителей определяется их значительной теплопроводностью в сочетании с достаточной степенью физико-механических свойств вулканизатов теплопроводящего компаунда для герметизации. Это достигается за счет усиливающих и структурирующих свойств примененных наполнителей. Силиконовые олигомеры выполняют функции активных разбавителей, позволяющих снижать исходную вязкость компаунда для герметизации, а также функции пластификаторов, влияющих на эластичность вулканизатов. Применение силиконовых олигомеров в количествах, меньше указанных, не эффективно. Применение в количествах, больше указанных, может отрицательно повлиять на термостойкость компаунда для герметизации и привести к частичному их выделению из объема вулканизата теплопроводящего компаунда при длительном нагреве. Применение карбида кремния и оксида кремния (кварц молотый пылевидный марки Б) в количествах, меньше чем представленных в описании для компонента А, не эффективно для сохранения необходимого уровня теплопроводности и физико-механических свойств. Применение в количествах, больше указанных, может привести к нежелательному увеличению вязкости теплопроводящего компаунда для герметизации и к сохранению воздушных включений в его объеме после отверждения. В свою очередь это могло бы привести к потере необходимой технологичности компаунда для герметизации. Сочетание составляющих частей компонента А и компонента Б в представленном диапазоне соотношений позволяет достигнуть необходимой эффективности отверждения теплопроводящего компаунда для герметизации и его незначительной исходной вязкости при требуемом времени жизнеспособности. При количественном соотношении компонента А и компонента Б более 100:5 необходимой текучести теплопроводящего компаунда для герметизации и его оптимального уровня технологических свойств достигнуть не удается. При количественном соотношении компонента А и компонента Б менее 100:10, хотя и достигается достаточная текучесть, но не удается обеспечить ни необходимой жизнеспособности, ни необходимой эластичности вулканизатов теплопроводящего компаунда для герметизации.
Приведенные доводы, подверженные данными таблиц и примеров, позволяют считать, что свойства компонентов заявляемого теплопроводящего компаунд для герметизации и пределы их содержания в составе компаунда, а также их количественные соотношения в подготовленных компонентах компаунда для герметизации являются оптимальными. Это дает возможность совместить требуемый уровень теплопроводности и других технологических и эксплуатационных характеристик. Анализ приведенных данных по заявляемому теплопроводящему компаунду для герметизации и достигнутых количественных характеристик позволяет считать техническую задачу изобретения решенной.
В таблице 2 приведены данные по составу компонента А теплопроводящего компаунда для герметизации, приготавливаемого в соответствии с приведенными выше примерами.
В таблице 3 приведены данные по составу компонента Б теплопроводящего компаунда для герметизации, приготавливаемого в соответствии с приведенными выше примерами.
В таблице 4 приведены данные по составу теплопроводящего компаунда для герметизации, приготавливаемого смешением компонента А с компонентом Б в соответствии с приведенными выше примерами.
В таблице 5 приведены данные по основным характеристикам теплопроводящего компаунда для герметизации, приготавливаемого смешением компонента А с компонентом Б в соответствии с приведенными выше примерами.
В таблице 6 приведены сравнительные данные по основным характеристикам теплопроводящего компаунда для герметизации, приготавливаемого смешением компонента А с компонентом Б в соответствии с приведенными выше примерами, и по основным характеристикам материалов аналога и прототипа.