加成型導熱硅凝膠密著力的研究

2020-08-21 12:12:04劉光華黃文哲陳建軍黃恒超

廣州化工 2020年15期

黃琪，劉光華，黃文哲，陳建軍，黃恒超

(廣州市白云化工實業有限公司，廣東廣州 510540)

當今社會，隨著人們環保理念的加深，電動車越來越受到大眾的認可，然而時不時發生的電動車電池組過熱導致自燃新聞卻觸動著人們的神經。電池組過熱產生的原因如下：一方面，隨著人們電池續航能力的要求越來越高，電池的功率越來越高，導致單位時間、面積之中產生的熱量越來越高；另一方面，電池模組同鋁合金底板不可能充分接觸，因為固體的表面并不是完美的平面結構，從微觀層面觀察會有凸凹不平，這些凸凹不平會產生空隙，空隙里面的空氣使得散熱遇到阻礙，所以傳導熱量效果比較差[1-3]。這時就需要一種導熱的界面材料，它必須具備良好的導熱性、柔軟以及在電池模組的PET膜和鋁合金之間有一定的密著力等特點，而加成型導熱硅凝膠正好滿足這些特點。

加成型導熱硅凝膠是由有機硅凝膠和導熱填料組成的柔性材料，而凝膠交聯密度僅為加成型硅橡膠的1/10～1/5，正是由于其交聯密度低使得其柔軟性較好[4-5]，且未發生交聯反應的小分子和基團讓其表面有一定黏性，在電池模組的PET膜和鋁合金能產生密著力。此外，由于硅凝膠其主鏈上以硅氧鍵為主的分子結構特點，它還具有良好的疏水性、優異的耐候性、耐老化性能、耐高低溫性能和電絕緣性能[6-8]。基于這些優異的性能，導熱硅凝膠作開始大量作為電池模組和鋁合金底板之間的導熱界面材料使用。本實驗以α,ω-二乙烯基硅油、含氫硅油作為加成反應的基礎硅油、Al2O3作為導熱填料制備出導熱硅凝膠，并研究了α，ω-二乙烯基硅油的乙烯基含量、含氫硅油的活性氫含量、n(Si-H)/n(Si-Vi)比、導熱填料的添加量對于導熱硅凝膠在PET材料和鋁合金之間的密著力的影響。

1 實驗

1.1 主要材料和儀器

α,ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷(粘度100～2000 mPa·s)，安必亞特種有機硅南通有限公司；含氫硅油(活性氫質量分數0.06～7.5)，江西海多化工有限公司；抑制劑(乙炔基環己醇)，百靈威科技有限公司；催化劑(3200 ppm鉑金催化劑)；導熱填料(Al2O3)，東莞東超新材料科技有限公司。

DAC600 2高速分散機，德國 FLACKTEK公司；CS101-3E恒溫鼓風干燥箱，重慶四達試驗設備有限公司；XL-250A萬能拉力試驗機，廣州試驗儀器廠；Hot Disk1500導熱系數儀，瑞典Hot Disk有限公司。

1.2 加成型導熱硅凝膠的制備

A組分：取100份α,ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷，0.1～0.5份催化劑，400～1200份導熱粉混合均勻；

B組分：取100份α,ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷，5～20份含氫硅油，0.01～0.05份抑制劑，400～1200份導熱粉，混合均勻。

將AB組分按照質量比1∶1混合均勻，真空脫泡10～20 min，獲得導熱硅凝膠，將膠打在PET和鋁合金模具之間，120 ℃熱固化30 min即得試片。

1.3 測試及表征

熱導率：按 ASTM D 5470-2001采用導熱系數儀測試。

力學性能：按 GB/T 528-2009采用萬能拉力試驗機測試，測試試片如圖1所示。

圖1 密著力測試試片示意圖

2 結果與討論

導熱硅凝膠的密著力大小主要與膠體本身的黏性和本體強度相關的，膠體的黏性決定了粘接力的大小，本體強度決定了膠體本身破壞所需要的力。如果膠體的粘接力大于膠體本身破壞所需要的力時，密著力大小主要取決于本體強度；如果膠體的粘接力小于膠體本身破壞所需要的力時，密著力大小主要取決于膠體的粘接力即黏性，即密著力大小取決于膠體產生的粘接力與本體強度中較小的那個。

2.1 乙烯基硅油對密著力的影響

圖2 乙烯基硅油粘度對密著力的影響

由圖2可以看到，在硅氫比、含氫硅油種類、粉體添加量相同的條件下，隨著所選乙烯基硅油粘度的變大的過程，密著力呈現先變大后下降的趨勢。這是由于α,ω-二乙烯基硅油粘度越高，它的分子量越高，乙烯基含量越低，當粘度過低時，乙烯基含量過高，交聯點過密，導致膠體韌性差呈現硬而脆的特征，膠本體強度較低，使得密著力較低；當粘度過高時，乙烯基含量過低，交聯密度過低，膠體過軟，本體強度降低，最終呈現出圖中密著力先升高后降低。綜合考慮，選用粘度500 mPa·s的α,ω-二乙烯基硅油是相對最佳的選擇。

2.2 含氫硅油對密著力的影響

圖3 含氫硅油含氫量對密著力的影響

由圖3可以看到，在乙烯基硅油、硅氫比、粉體添加量相同的條件下，隨著含氫硅油氫含量的升高，膠的密著力呈現先變大再變小的趨勢，這是由于氫含量越高含氫硅油反應活性越高，當氫含量過低時，加成反應活性過低，交聯反應不充分，膠體的強度非常差，導致密著力比較低；但當氫含量高到一定程度時，交聯點過密，導致膠體韌性差呈現硬而脆的特征，膠本體強度較低，密著力反而降低，最終呈現出圖中密著力先升高后降低。綜合考慮，選用氫含量為0.1的含氫硅油是相對最佳的選擇。

2.3 n(Si-H)/n(Si-Vi)比對于密著力的影響

圖4 n(Si-H)/n(Si-Vi)比對密著力的影響

由圖4可以看到，在乙烯基硅油、含氫硅油、粉體添加量相同的條件下，隨著n(Si-H)/n(Si-Vi)比值得升高，膠的密著力呈現先變大再變小的趨勢，這是由于n(Si-H)/n(Si-Vi)較低時，交聯反應得密度過低，膠體得強度過低，導致密著力較低；但n(Si-H)/n(Si-Vi)升高到一定程度時，強度高了，但是發生交聯反應程度更高導致小分子硅油以及未反應基團都變少了，而膠的黏性粘接力就來自于未反應的基團和硅油分子，粘接力降低了，當粘接力小于膠體本身破壞所需要的力，密著力取決于黏性粘接力，故而密著力反而降低了。綜合考慮，n(Si-H)/n(Si-Vi)為0.8時最為合適。

2.4 粉的添加量對密著力的影響

由圖5可以看到，在乙烯基硅油、含氫硅油、n(Si-H)/n(Si-Vi)相同時，隨著導熱粉體加入量不斷提高，密著力呈現先變大再變小的趨勢，這是由于導熱粉體除了有提高導熱系數的功能還是補強的功能，故而加入粉體越多，強度越高，密著力越高，但是粉體添加量過高的話會稀釋硅凝膠的含量，使得硅凝膠的力學性能展現不出來，破壞了膠本身的強度。綜合考慮，導熱粉和膠的質量比為8時最為合適，此時導熱率為2.1 W(圖6)。