高导热阻燃有机硅灌封胶的制备

高导热阻燃有机硅灌封胶的制备

周群邦

深圳市佳迪新材料有限公司广东深圳518000

摘要：导热灌封胶具有高密度、高粘度、流动性差等特点。因此，制备低密度、高导热性、阻燃性和低粘度的灌封胶已成为研究的热点。本文就从展开了研究。

关键词：高导热；阻燃；有机硅；灌封胶；制备

前言

随着电子工业的发展，电子元器件、逻辑电路趋于密集化、小型化，工作环境向高温方向发展，这要求灌封胶不仅具有优良的流动性能、耐高低温性能、力学性能、电绝缘性能，而且还要具备良好的导热阻燃性能。

1实验

1.1主要原材料和仪器设备

端乙烯基硅油：黏度为150mPa•s，浙江新安化工股份有限公司；含氢硅油：活性氢质量分数为0.18%，浙江新安化工有限公司；铂催化剂：铂含量为0.5%，上海贺利氏工业技术材料有限公司；炔醇：AR，上海运河材料有限公司；硅烷偶联剂：A-151，南京辰工有机硅材料有限公司；常规氧化铝（晶型为α，形貌为不规则状）：D50为20μm，佛山维科德化工材料有限公司；球形氧化铝（晶型为α，形貌为球形）：D50分别为5、10、20、50μm，日本电气化学工业株式会社；氮化硼：粒径为5μm，迈图高新技术材料有限公司。实验高速分散机：GFJ-0.8，江阴市双叶机械有限公司；恒温鼓风干燥箱：S.C.101，嘉兴市丰乐烘箱电炉厂；三辊研磨机：EGM-65，上海易勒机电设备有限公司；黏度计：NDJ-8S，上海平轩科学仪器有限公司；电子拉力机：CMT4303，深圳市新三思计量技术有限公司；激光粒度仪：LS-POP（6），珠海欧美克仪器有限公司；导热仪：LW-9389，台湾瑞领科技股份有限公司；场发射扫描电子显微镜：S-4800，日本日立公司。

1.2常规氧化铝及氮化硼的表面改性

将常规氧化铝/氮化硼放入电热恒温鼓风干燥箱中，在100℃下干燥3h；取出倒入高速混合器中，在1500r/min的搅拌状态下，以喷雾形式加入硅烷偶联剂质量分数为20%的异丙醇/甲苯溶液；升温至110℃继续搅拌30min；取出，在110℃下干燥4h，冷却，密封保存待用。

1.3胶料的制备

组分A：将乙烯基硅油100份、填料若干份、铂金催化剂按计量混合，在三辊研磨机研磨分散均匀。

组分B：将乙烯基硅油77份、含氢硅油23份、填料若干份（同A）、乙炔基环己醇按计量混合，在三辊研磨机研磨分散均匀。

1.4试样制备

将A、B组分按质量比1∶1混合并搅拌均匀，置于真空干燥箱中真空脱泡一定时间，倒入模具，室温状态下固化制成试样。

1.5性能测试

黏度：按GB/T2794—1995用旋转黏度计测试；拉伸强度和断裂伸长率：按GB/T528—2009测试；硬度：按GB/T531.1—2008测试；导热系数：按ASTMD5470-2001测试。

2结果与讨论

2.1含氢硅油用量对灌封胶性能的影响

含氢硅油用量直接影响灌封胶的硬度，硬度适中的灌封胶对新能源汽车锂电池有缓冲保护作用。当含氢硅油用量为2～6份时，灌封胶的拉伸强度和硬度随着含氢硅油用量的增加而提高，最后趋于稳定，拉断伸长率则逐渐减小。这主要是因为，随着活性氢量的增加，灌封胶的交联密度逐渐增加；当含氢硅油用量超过4份后，拉伸强度和硬度的增加幅度减小，表明此时反应已经趋于完全，继续增加用量对力学性能的提升不明显，因此含氢硅油用量为4份最佳。

2.2三氧化二铝用量对灌封胶性能的影响

导热填料可提高灌封胶的导热性能，保证从电池表面及时散热，消除因电池过热发生爆炸的风险。合理搭配使用不同粒径的三氧化二铝可得最佳粉体堆积密度，即粉体间彼此接触面积越大，材料的热导率越高。吴成宝等人发现按质量比3∶7搭配使用4μm和8μm两种粒径的三氧化二铝导热填料时，材料的热导率最高。随着三氧化二铝用量的增加，灌封胶的黏度、密度和热导率均呈上升趋势。当黏度超过4000mPa•s时，灌封胶的流动性会大幅度下降，无法流入细小缝隙，考虑到实际应用时的可操作性，灌封胶黏度应不超过4000mPa•s。因此，在100份乙烯基硅油中添加150份三氧化二铝即可满足要求，此时灌封胶的热导率为0.8W／（m•K）。

2.3阻燃填料用量对灌封胶性能的影响

阻燃填料可提高灌封胶的阻燃性能，使其发挥阻燃作用。单独使用一种阻燃填料，当用量为80份时，灌封胶的阻燃等级达V-0。而采用氢氧化铝与氢氧化镁按质量比1∶1复配时，用量仅30份即可达到相同阻燃等级。这可能是因为，氢氧化铝的分解温度约为250℃，吸收热量1965J／g，氢氧化镁的分解温度在300℃以上。它们都具有很好的阻燃性能，其阻燃机理主要是脱水、吸收热量。当温度达到氢氧化铝的分解温度时，首先氢氧化铝会吸收大量的热量起到阻燃的效果，当温度进一步升高，氢氧化镁脱除水分也会起到一定的阻燃效果，因此二者1∶1复配使用可降低阻燃填料的用量，这降低了灌封胶的密度。此外，铂配合物催化剂也具有一定的阻燃效果。这三者共同作用，能有效地提高阻燃效果，还能进一步降低灌封胶的密度和黏度。当铂催化剂用量为4×10-6时，复配阻燃填料的用量仅为20份，灌封胶即可达到V-0阻燃等级。

2.4增粘剂用量对灌封胶性能的影响

提高灌封胶粘接性的方法主要有3种：一是对基材进行表面处理引入活性基团，常用方法是预先底涂处理；二是在有机硅分子链上引入功能性基团，如烯烃基、环氧基和酯基等；三是在灌封胶中加入增粘剂。前两种方法操作较为繁琐，本实验采用加入增粘剂的方法。采用乙烯基三甲氧基硅烷、羟基硅油、正硅酸乙酯和钛酸异丙酯制备的增粘剂，对铝材、不锈钢和ABS具有较好的粘接性。当增粘剂用量为1份和1.5份时，灌封胶对基材均有很好的粘接性；当用量小于1份时，灌封胶可从基材上完整地剥离下来；而当增粘剂用量为2份时，出现了灌封胶无法硫化的现象，即催化剂中毒。这是因为增粘剂中含有乙烯基，可以与铂催化剂发生反应生成一种配合物，因此抑制了铂的活性。综合考虑，本实验中增粘剂用量选择1份。

2.5抑制剂用量对灌封胶性能的影响

适中的可操作性时间和硫化时间，不仅可保证灌封胶顺利排泡，还能提高灌胶效率。随着抑制剂用量的增加，灌封胶的硫化时间逐渐增加，可操作时间也逐渐延长。这是因为，抑制剂的主要作用是与铂催化剂形成配位键，使铂处于零价状态，此时铂的活性最低，可随着时间的延长逐步催化硅氢加成反应。锂电池灌封胶需要A、B两个组分按质量比1∶1混合均匀，然后在排泡完全后进行灌封，且灌封过程中要始终保持流动状态，因此需要适中的可操作时间和硫化时间。综合考虑，抑制剂用量优选0.03份。

结束语

在基料制备时向100份乙烯基硅油中添加按质量比3∶7复配的粒径4μm和8μm的三氧化二铝150份，氢氧化铝与氢氧化镁按质量比1∶1复配的阻燃填料20份，出料后向100份基料中添加的铂催化剂为4×10-6，增粘剂为1份，抑制剂为0.03份，含氢硅油为4份时，制得的灌封胶黏度为3000mPa•s，热导率为0.8W／（m•K），UL94阻燃等级为V-0，密度仅为1.18g／cm3，对铝材、不锈钢和ABS有良好粘接性。

参考文献：

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[3]程宪涛，姜宏伟.氧化铝的表面改性及其在导热有机硅灌封胶中的应用[J].有机硅材料，2016，26（3）：148-152.