高導熱室溫硫化硅橡膠的制備

吳娟　王洪敏

浙江匯杰有機硅股份有限公司（浙江杭州　311222）

高導熱室溫硫化硅橡膠的制備

吳娟王洪敏

浙江匯杰有機硅股份有限公司（浙江杭州311222）

以端羥基聚二甲基硅氧烷為基膠、氧化鋁為導熱填料、甲基三甲氧基硅烷為交聯劑，制備了脫醇型導熱室溫硫化硅橡膠。研究了氧化鋁的形狀、填充量、粒徑以及不同粒徑配比對硅橡膠導熱系數的影響。結果表明：球形氧化鋁填充量最大并且對硅橡膠黏度的影響較小。隨著氧化鋁填充量的增大，硅橡膠導熱系數提高,最佳填充量為60%。大粒徑氧化鋁填充的硅橡膠導熱系數高于小粒徑氧化鋁填充的硅橡膠。如果按照m(d20)∶m(d3)=3∶7的比例混合氧化鋁，制備的硅橡膠綜合性能最佳，導熱系數為1.39 W/(m·K)，拉伸強度和斷裂伸長率分別為1.98 MPa和134%。

球形氧化鋁室溫硫化硅橡膠導熱系數

0　引言

電子工業的迅速發展，要求電子元器件和電子設備高性能化、多功能化，并向輕、薄、短、小的方向發展。伴隨著電子設備封裝技術的高密度化和精細化，電子器件的散熱問題不容忽視。如果熱量不能被及時導出，元器件的溫度將迅速上升，這會直接影響電子設備的壽命和可靠性。傳統的散熱方式是將電子器件與散熱設備用螺釘固定，然而采用該固定方式，二者之間存在定位間隙，使散熱效果大打折扣。導熱型硅橡膠具有高導熱系數、優良的耐老化性能，可充分填充于熱源與散熱器件之間，能夠有效散出電子設備產生的熱量，還具有絕緣、防震的作用。此外，導熱硅橡膠具有優良的粘接性，用其粘接電子器件和散熱器件來代替螺釘連接，可以簡化工藝、降低成本。

導熱硅橡膠的使用對電子設備的密集化、精細化、提高可靠性和延長使用壽命具有重大意義。本文旨在開發一款導熱系數高、對基材無腐蝕、經濟實用、儲存期長的導熱型硅橡膠。

1　實驗

1.1原材料

端羥基聚二甲基硅氧烷，黏度5 000～10 000 mPa·s，自制；氧化鋁，中位粒徑分別為0.5，3，20 μm，上海百圖高新材料科技有限公司；氧化鋅，安徽海順化工有限公司；甲基三甲氧基硅烷、鈦絡合物，工業級，德國贏創工業集團；白炭黑，工業級，瓦克化學股份有限公司；KH550，KH792硅烷偶聯劑，工業級，荊州市江漢精細化工有限公司。

1.2儀器與設備

NHZ-2真空捏合機，溫州市興業機械設備有限公司；LXSGJ氧化鋯三輥研磨機，常州市龍鑫化工機械有限公司；KXJ雙行星動力混合機，無錫科越化工機械廠；THM-8201S萬能電子試驗機，蘇州拓博機械設備有限公司；LX-A邵氏A硬度計，樂清市麥克斯測控設備廠；LW9389導熱系數測試儀,臺灣瑞領科技股份有限公司。

1.3性能測試

邵氏A硬度按照GB/T 531—1999《橡膠袖珍硬度計壓入硬度試驗方法》進行測試；拉伸強度、伸長率按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行測試；導熱系數按照ASTM D5470-01“Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thin Thermally Conductive Solid Electrical Insulation Materials”進行測試。

1.4樣品制備

基料制備：在真空捏合機中，將端羥基聚二甲基硅氧烷與導熱填料氧化鋁按比例混合，加入占基料質量2%的氧化鋅，在100～130℃下真空脫水1～2 h。冷卻后，在氧化鋯三輥研磨機中研磨2～3遍。

膠制備：在行星混合機中，加入占基料質量為2%～5%的甲基三甲氧基硅烷、1%～2%的白炭黑、0.1%～1%的鈦絡合物、0.1%～1.5%的KH550以及0.1%～1.5%的KH792，混合均勻，抽真空脫泡，即得到室溫硫化導熱硅橡膠。

2　結果與討論

2.1導熱填料的選擇

導熱填料的種類對導熱硅橡膠的導熱性能起主要作用。一般而言，導熱填料的導熱系數越高，制備的導熱硅橡膠的導熱系數就越高。常用的導熱填料包括金屬填料、無機非金屬填料和石墨。不同填料的導熱系數不同，常用導熱填料的導熱系數如表1所示。無機非金屬填料因具有高導熱系數、低介電常數、高絕緣性、良好的熱穩定性和化學穩定性等特點而被廣泛使用。本文選擇氧化鋁和氧化鋅作為導熱填料制備經濟型導熱硅橡膠。

表1　常用導熱填料導熱系數（20℃）

2.2導熱填料的形狀

選擇中位粒徑為3 μm的針狀、橢球形和球形氧化鋁作為導熱填料。隨著導熱填料填充量（質量分數）的逐漸增大，硅橡膠的黏度也逐漸增大，直至無法溶入。經過測試，得到三種填料的最大填充量分別為60%，82%和93%。同一種填料的填充量越高，硅橡膠的黏度越大，進而影響硅橡膠的加工性能和力學性能，即對于黏度相同的硅橡膠，球形氧化鋁的填充量最大［1］。

2.3導熱填料的粒徑對硅橡膠導熱系數的影響

研究了粒徑分別為0.5，3，20 μm的球形氧化鋁對導熱硅橡膠導熱系數的影響，結果見圖1，隨著導熱填料填充量的增加，硅橡膠導熱系數呈增長趨勢。當填充量小于20%時，三種填料的效果無明顯差異，硅橡膠導熱系數增長緩慢；這是因為填充量較小時，導熱填料粒子被硅橡膠包裹，未能形成有效的網格導熱鏈，對導熱系數貢獻不大。隨著填充量的增大，填料粒子相互接觸，形成導熱鏈，使硅橡膠的導熱系數明顯增大。對于相同的填充量，粒子粒徑越大，越容易相互接觸，形成的導熱鏈越多。因此，在填充量相同的情況下，填充大粒徑填料有助于獲得更高的導熱系數。當進一步增加填充量時，因大部分粒子已相互接觸，新的導熱鏈增加并不明顯，對導熱系數的影響微乎其微［1-2］；但硅橡膠的黏度卻持續增大。綜合考慮，導熱填料的最佳填充量為60%～70%。

圖1　不同粒徑球形氧化鋁粒子對硅橡膠導熱系數的影響

2.4兩種粒徑導熱填料混合填充

采用大小兩種粒徑的填料進行混合填充，大粒徑氧化鋁填充于硅橡膠中，小粒徑氧化鋁分散于大粒徑氧化鋁空隙中，兩種粒子緊密堆積，有利于形成更多的網格導熱鏈，從而提高導熱系數。［1,3-4］

按照60%的填充量，將20 μm與3 μm粒徑的氧化鋁按不同比例混合填充于硅橡膠中，其導熱系數及力學性能如表2所示。由表2可見，實驗范圍內，當氧化鋁填充量為60%、m(d20)∶m(d3)=3∶7時，硅橡膠的綜合性能最佳，導熱系數為1.39 W/(m·K)，拉伸強度和斷裂伸長率分別為1.98 MPa和134%。

2.5氧化鋅的作用

本實驗制備的硅橡膠為脫醇型室溫硫化硅橡膠。因填料、基膠中的羥基、游離醇和水分的影響，脫醇型硅橡膠的貯存期相對于脫醋酸型和脫酮肟型硅橡膠較短。本實驗加入氧化鋅作為硅橡膠中羥基、游離醇和水分的清除劑，從而將脫醇型硅橡膠的貯存期從原來的9個月延長至12個月。此外，氧化鋅的導熱系數［約28 W/(m·K)］遠高于硅橡膠自身的導熱系數［0.2 W/(m·K)］，因此能提高硅橡膠的導熱系數。氧化鋅還是優良的耐熱添加劑，能有效提高硅橡膠的耐熱穩定性［5］。

表2　兩種粒徑氧化鋁混合對硅橡膠性能的影響

3　結論

（1）本實驗制備的硅橡膠為脫醇型室溫硫化硅橡膠，對大多數基材具有良好的粘接性，且不會腐蝕基材。

（2）將球形氧化鋁作為導熱填料時，硅橡膠的黏度增長相對較小，可有效提高填充量，從而提高導熱系數，氧化鋁的最大填充量為93%。

（3）在相同填充量下，大粒徑填料更容易形成網格導熱鏈，導熱系數相對較大。大粒徑和小粒徑填料混合填充，有利于提高導熱系數。當填充量為60%、m(d20)∶m(d3)=3∶7時，硅橡膠的綜合性能最佳，導熱系數達到1.39 W/(m·K)，拉伸強度和斷裂伸長率分別為1.98 MPa和134%。

（4）氧化鋅作為羥基、游離醇和水分的清除劑加入，在延長脫醇型硅橡膠貯存期的同時，還起到提高硅橡膠導熱系數的作用。

［1］鐘前剛.大功率LED散熱用導熱硅脂的制備與性能研究［D］.重慶：重慶大學,2011.

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Preparation of Room Temperature Vulcanized Silicone Rubber with High Thermal Conductivity

Wu Juan Wang Hongmin

Dealcoholized room temperature vulcanized silicone rubber with high thermal conductivity was prepared with hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane as base gum,alumina powders as thermal conductive filler,and methyltrimethoxysilane as crosslinking agent.The effects of shape,filling content,particle size,and proportion of powders with different diameters of alumina on the thermal conductivity of silicone rubber were studied.The results indicated that spherical alumina had the maximum filling content and had the minimum influence on the viscosity of silicone rubber.The thermal conductivity of silicone rubber increased with the increase of alumina's filling content,and the optimum filling content was 60%.The thermal conductivity of silicone rubber filled with large size alumina powders was higher than that filled with small ones.When the mixture proportion of alumina was m(d20)∶m(d3)=3∶7,the silicone rubber showed the best comprehensive properties；its thermal conductivity was 1.39 W/(m·K),the tensile strength and the elongation at break were 1.98 MPa and 134%,respectively.

Spherical alumina；Room temperature vulcanized silicone rubber；Thermal conductivity

TQ333.93

吳娟女1984年生碩士工程師研究方向：有機硅材料

2015年8月