氮化硼粉体表面改性的方法、改性氮化硼及聚合物复合材料

摘要

本发明涉及一种氮化硼粉体表面改性的方法、改性氮化硼及聚合物复合材料，所述方法以氮化硼纳米粉体为原料，强氧化剂为改性剂，采用水热制备工艺，对氮化硼进行表面改性以制得改性氮化硼。本发明原料简单易得，成本较低；制备工艺简单，且绿色环保；改性后的氮化硼在聚合物基体中分散均匀，并大大提高了其与聚合物基体的相相容性，解决了BN与聚合物基体界面热阻很大的问题，使聚合物的热导率得到了大幅度提升；所得的复合材料兼具绝缘高导热及良好的可加工性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种简便易行的氮化硼改性方法及其与聚合物复合材料的制备工艺，属 于聚合物基复合材料领域，改性氮化硼的方法简易高效，其与聚合物复合的工艺成本低，绿 色环保，是一种适合于规模化生产的复合材料制备工艺。

背景技术

随着微电子高密度组装和集成技术的迅猛发展，电子设备的组装密度得以迅速提 高，这将导致单位面积产生的热量急剧增加，从而导致电子元器件工作效率及使用寿命大幅 降低。为了保证电子设备的正常运行，必须及时移除多余的热量。因此，散热问题已经成为 了大规模集成电路所面临的瓶颈问题之一[1]Sato,K.;Horibe,H.;Shirai,T.;Hotta,Y;Nakano, H.;Nagai,H.;Mitsuishi,K.;Watari,K.J Mater Chem 2010,20,2749[2]Ting,J.M.;Chen,Y.M. Carbon 2002,40,359。

目前，多采用热沉来解决散热问题。但由于电子元器件与热沉表面的粗糙度不匹 配，导致二者间存在空隙，界面热阻增大。这将大大降低热沉的散热能力。所以，亟需一种 高效的热界面材料，使器件与热沉紧密连接。因此要求其兼具电绝缘性，良好的热导率及可 加工性。聚合物材料是较好的选择之一[3]Sim,L.C.;Ramanan,S.R.;Ismail,H.;Seetharamu,K. N.;Goh,T.J.Thermochim Acta 2005,430,155[4]Huang,M.T.;Ishida,H.J Polym Sci Pol Phys 1999,37,2360。而通常来说，聚合物材料的热导率都很低，所以，如果能提高它的热导率， 将大大改善电子器件体系的散热问题。

在普通高分子中加入高导热填料，是提高聚合物热导率的有效途径之一。在以往的 报道中，出现过多种填料的研究，其中，氮化硼（h-BN）引起了我们的关注。它具有类石 墨结构，具有低密度，高热稳定性，高热导率，低介电常数及化学惰性等优异的性能[5] Duan,J.;Xue,R.S.;Xu,Y F.;Sun,C.JAm Ceram Soc 2008,91,2419[6]Rao,C.N.R.;Nag,A.; Raidongia,K.;Hembram,K.P.S.S.;Datta,R.;Waghmare,U.V.Acs Nano 2010,4,1539。在以往 对BN的报道中，出现过对BN粉体纳米管和纳米片的研究。但通常情况下，利用BN粉体 的添加量都很大（20~78wt.%）[7]Zhou,W.Y.;Qi,S.H.;Li,H.D.;Shao,S.Y.Thermochim  Acta 2007,452,36[8]Hsu,S.L.C.;Li,T.L.J Phys Chem B2010,114,6825，以致于掩盖了聚 合物基体本身的特性。而BNNTs和BNNSs的制备很困难[8]Zhi,C.Y.;Bando,Y.;Terao,T.; Tang,C.C.;Kuwahara,H.;Golberg,D.Adv Funct Mater 2009,19,1857[9]Huang,Y.;Lin,J.; Bando,Y.;Tang,C.C.;Zhi,C.Y.;Shi,Y.G.;Takayama-Muromachi,E.;Golberg,D.JMater Chem 2010,20,1007[10]Nakayama,T.;Cho,H.B.;Tokoi,Y.;Endo,S.;Tanaka,S.;Suzuki,T.;Jiang,W. H.;Suematsu,H.;Niihara,K.Compos Sci Technol 2010,70,1681，且均为微量制备，成本很 高。所以，亟需一种聚合物材料，使其兼具良好的可加工性，高热导率以及可大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于通过一种简单易行的表面改性方法，将最常见的BN粉体进行表面 改性，提高其与聚合物基体的相容性，解决BN与聚合物基体界面热阻大的问题，并提供一 种简单易行，绿色环保，无毒无污染的高导热绝缘聚合物基复合材料的制备方法。

一个方面，本发明提供一种氮化硼粉体表面改性的方法，其以氮化硼纳米粉体为原 料，强氧化剂为改性剂，采用水热制备工艺，对氮化硼进行表面改性以制得改性氮化硼。

优选地，改性选用具有立方相或六方相，纯度大于90%的氮化硼。氮化硼粉体粒径 优选为0.1~5μm。且改性后的氮化硼纯度仍大于90%。

作为改性剂的强氧化剂，优选使用浓度大于20%的过硫酸铵、过氧化氢或稀硝酸等 强氧化剂。

氮化硼与浓度大于20%的强氧化剂的比例优选以1g氮化硼用3.3ml~100ml的氧化 剂。混合氧化剂与氮化硼粉体，混合搅拌时间优选为1~2小时。此外，反应温度优选为 40℃~180℃。反应时间通常需要1~48小时。

经本发明的方法改性后的氮化硼出现了新官能团，形貌与原始氮化硼无明显差异， 其与聚合物基体的相容性大大提高，解决了氮化硼与聚合物基体界面热阻在的问题，并可以 使聚合物的热导率得到大幅度的提升。

本发明另一方面，提供一种高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复合材 料的制备方法，其通过在有机聚合物单体中添加0.05~70vol.%的经本发明的方法改性的氮化 硼，采用搅拌混合，然后再加入自由基聚合引发剂进行聚合反应，干燥得所述聚合物复合材 料。该方法也称为原位聚合法，其中改性氮化硼的添加量优选为0.5~30vol.%。原位聚合法 主要适用于自由基引发的聚合反应，优选适用于丙烯酸酯单体、苯乙烯或二乙烯基苯等有机 聚合物单体的聚合，从而可制得具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复合材料。另，本方法 中优选地引发剂的加入量为相对于聚合物单体0.001~3wt.%。引发剂优选采用偶氮类或过氧 化物等自由基聚合引发剂。此外，本方法的聚合反应时间优选在50℃~300℃的恒温温度下 进行，并搅拌，以混合物液体变粘稠时停止。搅拌时间一般为10~300min。然后使所述粘稠 的混合物液体于密封模具中在40~120℃下干燥2~48小时，并自然冷却至室温后脱模即可得 氮化硼/聚合物复合材料。

本发明还提供另一种具有高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复合材料 的制备方法，其通过在有机聚合物中添加0.05~70vol.%的经本发明改性的氮化硼，采用搅拌 混合，然后加入固化剂使聚合物固化，以此可制得所述氮化硼/聚合物复合材料。该方法也 称为物理混合法，其中改性氮化硼的添加量优选为0.5~30vol.%。本方法主要适用于环氧树 脂、酚醛树脂等聚合物材料，从而可制得良好可加工性的氮化硼/聚合物复合材料。另，本 方法中固化剂的加入量优选地为相对于聚合物单体0.001~3wt.%。对于不同的聚合物，需选 用不同的固化剂。对于环氧树脂、酚醛树脂，固化剂优选采用有机胺等。此外，本方法的搅 拌混合优选在30℃~100℃的恒温温度下进行，并搅拌使氮化硼均匀分散在聚合物溶液中。 搅拌时间一般为10~300min。固化剂加入后继续搅拌是其溶解在聚合物中形成粘稠混合物。 然后使所述粘稠的混合物液体于密封模具中在40~200℃下干燥2~10小时，并自然冷却至室 温后脱模即可得氮化硼/聚合物复合材料。

本发明进一步提供另一种具有高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复合 材料的制备方法，其采用在聚合物母粒或粉体中添加0.05~70vol.%的经本发明改性的氮化 硼，球磨混合，干燥得混合粉体，将所述粉体于模具中热压成型制得所述氮化硼/聚合物复 合材料。该方法也称为物理混合法，其中改性氮化硼的添加量优选为0.5~30vol.%。此外， 本方法优选适用于聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚烯烃等热塑性聚合物，从而可制得良好可加工性 的氮化硼/聚合物复合材料。本方法中所述球磨混合优选采用不锈钢或氧化锆磨球、并在 180~560RPM下球磨30~150分钟。另外，本方法中的所述热压成型优选在40~400℃，10- 30MPa压力下，并自然冷却至室温后脱模即可得氮化硼/聚合物复合材料。

又，本发明还提供另一种具有高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复合 材料的制备方法，其采用在聚合物母粒或粉体中添加0.05~70vol.%的经本发明改性的氮化 硼，通过螺杆挤出（注塑）机，混合加工成型。该方法也称为物理混合法，其中改性氮化硼 的添加量优选为0.5~30vol.%。此外，本方法优选适用于常见可通过挤出注塑成型的热塑性 聚合物材料，如聚丙烯酸酯、聚烯烃、不饱和聚酯树脂等，从而可制得良好可加工性的氮化 硼/聚合物复合材料。挤出或注塑工艺取决于相应的聚合物材料。例如聚甲基丙烯酸甲酯优 选工艺为主机螺杆转速：5.5r/min，进料杆转速：3r/min,主机真空：-0.10～-0.15MPa，机筒 一段、二段、三段、合流芯段、机头挤出段温度分别设定155℃，170℃，180℃，160 ℃，165℃.挤出成型尺寸为15×55mm的片材或直接挤出成型。

以上上述四种氮化硼/聚合物复合材料的制备方法，获得的复合材料绝缘且具有高导 热性及良好的可加工性。其中，热导率高于3.9W/(m·k)。更优选地，其热导率高于5.0 W/(m·k)。所述热导率较纯聚合物可提高10倍以上，断裂伸长率较纯聚合物及原始氮化硼 （未改性）以同样方法制备的复合材料高十倍以上。

本发明的方法适合制备任何形状尺寸的高导热绝缘塑料，并用于微电子高密度组装 集成电路中的热界面及其他需要良好散热性的场合，提高电子器件散热效率，进而增加其使 用寿命。

本发明的优点在于：原料简单易得，成本较低；所需设备少，制备工艺简单，且绿 色环保，容易实现；改性后的氮化硼在聚合物基体中分散均匀，并大大提高了其与聚合物基 体的相相容性，解决了BN与聚合物基体界面热阻很大的问题，使聚合物的热导率得到了大 幅度提升；所得的复合材料兼具绝缘高导热及良好的可加工性。其热导率高于5W/(m·k)， 较纯聚合物提高了10倍以上，断裂伸长率较纯聚合物及原始氮化硼以同样方法制备的复合 材料高10倍以上。

附图说明

图1为氮化硼改性前后的红外图谱对比图；

图2为PMMA、未改性BN/PMMA复合材料和本发明一个实施例中的改性BN/PMMA复合 材料的热导率对比图；

图3为PMMA、未改性BN/PMMA复合材料和本发明一个实施例中的改性BN/PMMA复合 材料的断裂生长率对比图。

具体实施方式

下面，参照说明书附图，并结合下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实 施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明首先用强氧化剂（过硫酸铵、过氧化氢、稀硝酸等）对最常见的BN粉体进行 了表面改性，大大提高了其与聚合物基体的相相容性，解决了BN与聚合物基体界面热阻很 大的问题，使聚合物的热导率得到了大幅度提升。本发明所采用的制备复合材料的方法简单 易行，绿色环保，无毒无污染，解决了传统方法中需要添加大量溶剂从而造成严重浪费和污 染的问题，所得的复合材料兼具绝缘高导热及良好的可加工性。

关于氮化硼粉体的表面改性，本发明以氮化硼粉体为原料，强氧化剂为改性剂，采 用水热制备工艺，对氮化硼进行表面改性以制得改性氮化硼。在一个实施例中，将氮化硼与 强氧化剂以1g氮化硼与3.3ml~100ml强氧化剂溶液进行混合，搅拌1~2h；将混合物放入密 封反应釜中加热至40℃~180℃，搅拌1~48h，冷却，洗涤过滤后，放入烘箱干燥10~48h， 即得到改性氮化硼粉体。作为改剂用的氮化硼，可以选择具有立方相或六方相，纯度大于 90%的氮化硼。且改性后的氮化硼纯度仍大于90%。氮化硼粉体粒径优选为0.1~5μm。作为 改性剂的强氧化剂，可以选择浓度大于20%的过硫酸铵、过氧化氢或稀硝酸等强氧化剂。

关于本发明的原位聚合反应法制备高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物 复合材料，本发明通过在有机聚合物单体（如丙烯酸酯单体、苯乙烯、二乙烯基苯等）中添 加0.05~70vol.%的经本发明的方法改性的氮化硼，采用搅拌混合，然后再加入自由基聚合 引发剂（如偶氮类、过氧化物等）通过加热或光辐照等进行聚合，干燥得所述聚合物复合材 料。在一个实施例中，将0.05~70vol.%的改性氮化硼与单体搅拌混合，加入0.001~3wt.% 的与聚合物单体相对应的引发剂；将混合物在50℃~300℃的恒温温度下进行搅拌，搅拌时 间为10~300min，至混合物液体变粘稠时停止；将粘稠的混合物液体倒入所需形状尺寸的模 具中密封，放入40~120℃的烘箱中干燥2~48h后，自然冷却至室温后脱模即可得本发明的 改性氮化硼/聚合物复合材料。本方法中的单体是指各种聚合物所对应的单体，在一个实施 例中选择纯度大于90%的单体作为原料。关于引发剂，在一个实施例中选择其纯度大于 90%。

所得的复合材料绝缘且具有高导热性及良好的可加工性，其中，热导率高于5 W/(m·k)，较纯聚合物提高了10倍以上，断裂伸长率较纯聚合物及原始氮化硼以同样方法 制备的复合材料高10倍以上。

关于本发明的物理混合法1制备高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复 合材料，通过在树脂类聚合物（如环氧树脂、酚醛树脂等）中添加0.05~70vol.%的经本发明 改性的氮化硼，采用搅拌混合，然后加入固化剂（如有机胺等）使树脂固化，以此可制得所 述氮化硼/聚合物复合材料。在一个实施例中，将0.05~70vol.%的改性氮化硼与聚合物搅拌 混合，加入0.001~3wt.%的与聚合物相对应的固化剂；将混合物在30℃~100℃的恒温温度 下进行搅拌，搅拌时间为10~300min，使氮化硼均匀分散在聚合物溶液中；加入固化剂，继 续搅拌是之溶解在聚合物中；将粘稠的混合物液体倒入所需形状尺寸的模具中密封，放入 40~200℃的烘箱中固化2~10h后，自然冷却至室温后脱模即可。本方法所用固化剂为各种聚 合物所对应的固化剂，在一个实施例中选择纯度大于90%的固化剂。

关于本发明的物理混合法2制备高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复 合材料，采用在聚合物母粒或粉体（如聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚烯烃等）中添加0.05~70 vol.%的经本发明改性的氮化硼，球磨混合，干燥得混合粉体，将所述粉体于模具中热压成 型制得所述氮化硼/聚合物复合材料。在一个实施例中，将0.05~70vol.%的改性氮化硼与聚 合物母粒或粉体搅拌混合，加入球磨罐中，以不锈钢或氧化锆磨球在180~560RPM下球磨 30~150分钟；将混合均匀的粉体倒入所需形状尺寸的模具中，在40~400℃，10-30MPa压力 下热压成型，自然冷却至室温后脱模即可得氮化硼/聚合物复合材料。

关于本发明的物理混合法3制备高导热绝缘并具有良好可加工性的氮化硼/聚合物复 合材料，采用在聚合物母粒或粉体（如聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚烯烃等）中添加0.05~70 vol.%的经本发明改性的氮化硼，通过螺杆挤出（注塑）机或普通挤出、注射、注塑工艺， 混合加工成型。应理解，可通过挤出注塑成型的热塑性聚合物材料均可适用本方法，如聚丙 烯酸酯、聚烯烃、不饱和聚酯树脂等。在一个实施例中，首先，将0.05~70vol.%的改性氮 化硼与聚甲基丙烯酸甲酯母粒或粉体搅拌混合后，通过普通螺杆挤出机挤出；其中主机螺杆 转速：5.5r/min，进料杆转速：3r/min,主机真空：-0.10～-0.15MPa，机筒一段、二段、三 段、合流芯段、机头挤出段温度分别设定155℃，170℃，180℃，160℃，165℃.挤 出成型尺寸为15X55mm的片材或直接挤出成型。

在本发明的一个优选实施例中，通过本发明的方法制备的氮化硼/聚合物复合材料热 导率高于3.9W/(m·k)。而在另一个实施例中，其热导率高于5.0W/(m·k)。热导率较纯聚 合物可提高10倍以上，断裂伸长率较纯聚合物及原始氮化硼（未改性）以同样方法制备的 复合材料高十倍以上。以下进一步例举实施例，应理解，其仅用于说明本发明，而非限制本 发明。

实施例1

将20g BN加入200ml 0.1M过硫酸铵溶液中，搅拌1h后，将混合物移入密闭反应釜中加 热至100℃，搅拌48h，冷却，洗涤过滤后，放入烘箱干燥24h，得到的改性氮化硼粉体出 现了新的官能团，如图1所示，且在聚合物基体中分散均匀。

实施例2

将40g BN加入600ml 30%过氧化氢中，搅拌2h后，将混合物移入密闭反应釜中加热至 120℃，搅拌24h，冷却，洗涤过滤后，放入烘箱干燥48h，得到的改性氮化硼粉体出现了 新的官能团，且在聚合物基体中分散均匀。

实施例3

将100g BN加入4600ml 30%过氧化氢中，搅拌2h后，将混合物移入密闭反应釜中加热 至140℃，搅拌48h，冷却，洗涤过滤后，放入烘箱干燥48h，得到的改性氮化硼粉体出现 了新的官能团，且在聚合物基体中分散均匀。

实施例4

将60g BN加入1200ml 0.1M稀硝酸中，搅拌24h后，将混合物移入密闭反应釜中加热至 60℃，搅拌2h，冷却，洗涤过滤后，放入烘箱干燥48h，得到的改性氮化硼粉体出现了新 的官能团，且在聚合物基体中分散均匀。

实施例5

为制备1wt%BN/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合材料，将0.5g的改性氮化硼加入50g 甲基丙烯酸甲酯中搅拌混合，加入0.056mg偶氮二异丁氰为引发剂，将混合物在90℃的恒 温温度下进行搅拌，搅拌时间为60min，将混合物液体倒入模具中密封，放入50℃的烘箱 中干燥48h后，自然冷却至室温后脱模。测试可知所得的复合材料绝缘，且热导率高达 1.15W/(m·k)（采用德国NETZSCH公司LFA 447导热仪测试）（如图2所示），断裂伸 长率高达68%（采用Instron-5592测试，测试条件按国标GB/T 1040-92塑料拉伸性能试验方 法进行）（如图3所示。复合材料中改性氮化硼约占0.5vol%。

实施例6

为制备10wt%BN/环氧树脂复合材料，将5g的改性氮化硼加入50g环氧树脂中搅拌混合， 加入对应的环氧树脂固化剂，将混合物在90℃的恒温温度下进行搅拌，搅拌时间为80 min，加入固化剂，继续搅拌使之溶解在聚合物中。将粘稠的混合物液体倒入模具中密封， 放入90℃的烘箱中干燥48h后，自然冷却至室温后脱模。所得的复合材料绝缘,且热导率 高达2.09W/(m·k)，断裂伸长率高达213%。复合材料中改性氮化硼约占5vol%。

实施例7

为制备20wt%BN/聚乙烯醇复合材料，将10g的改性氮化硼加入400ml10%聚乙烯醇溶液 中搅拌混合60min，将混合物液体倒入模具中，放入50℃的烘箱中干燥48h后，自然冷 却至室温后脱模。所得的复合材料绝缘,且热导率高达2.85W/(m·k)，断裂伸长率高达 540%。复合材料中改性氮化硼约占10vol%。

实施例8

为制备20wt%BN/聚乙烯醇复合材料，将10g的改性氮化硼加入40g聚乙烯醇粉体中搅拌 混合，加入球磨罐中，魔球可以是不锈钢、氧化锆等。球磨罐在液氮中冷冻后迅速在 230RPM下球磨30分钟，将混合均匀的粉体倒入所需形状尺寸的模具中，在100℃， 30MPa压力下热压成型，自然冷却至室温后脱模。所得的复合材料绝缘,且热导率高达3.94 W/(m·k)，断裂伸长率高达480%。复合材料中改性氮化硼约占10vol%。

实施例9

为制备60wt%BN/聚酰亚胺复合材料，将30g的改性氮化硼加入20g聚酰亚胺粉体中搅拌 混合，加入球磨罐中，以不锈钢磨球在230RPM下球磨30分钟，将混合均匀的粉体倒入所 需形状尺寸的模具中，在300℃，30MPa压力下热压成型，自然冷却至室温后脱模。所得的 复合材料绝缘,且热导率高达7.9W/(m·k)。复合材料中改性氮化硼约占30vol%

本发明将改性氮化硼通过原位聚合、物理混合等方法引入到热塑性和热固性聚合物 制得氮化硼/聚合物复合材料。改性氮化硼的引入显著地改进了有机聚合物的热导性能，同 时保持了很好的可加工性及柔韧性。本发明的方法适合制备任何形状尺寸的高导热绝缘塑 料，可应用于需要良好散热性的场合，如电子行业等，以提高电子器件散热效率，进而增加 其使用寿命。