
用于导热绝缘环氧树脂复合材料的
氮化硼改性研究进展
张怀东1,
庞秀江2,刘源2,陈利3*
(1 鳄鱼尼卡新材料有限公司
安徽 亳州236000;2 青岛科技大学化学与分子工程学院 山东
青岛 266000;3青岛科技大学高分子科学与工程学院 山东 青岛 266000)
摘要: 环氧树脂是电子器件常用的绝缘高分子基体材料,然而存在导热性偏低的问题。 六方氮化硼(h-BN) 常被用于环氧树脂的导热填料,而h-BN的化学惰性使其在环氧树脂中的分散性和相容性较差,限制了其作用的发挥,因而对其进行改性就成了导热绝缘环氧树脂复合材料制备中需要面对的一个重要问题。本文主要总结了近年来用于导热绝缘环氧树脂复合材料的氮化硼的改性方法及其特点,其中包括剥离、包覆、场取向和杂化等物理方法,以及功能化、偶联剂修饰、活性剂修饰、化学接枝等化学方法,并对BN改性今后的发展趋势进行了讨论。
关键词:导热率;环氧树脂;复合材料;氮化硼;改性
中图分类号:TQ322.4
The
Progress on Modification of BN used in Fabricating Thermally Conductive,
Insulative Epoxy Composites
Zhang
Huaidong1, Pang Xiujiang2, Liu Yuan2, Chen Li3 *
(1
Anhui Alligator Nika New Materials Co., Ltd, Bozhou 236000, China
2
Department of Chemistry and Molecule Engineering, Qingdao University of Science
& Technology, Qingdao 266000, China
3
Department of Polymer Science and Engineering, Qingdao University of Science
& Technology, Qingdao 266000, China)
Abstract:Epoxy
resin is the common insulative polymer matrix used in electronic device, which
is lower in thermal conductivity. Hexagonal boron nitride(h-BN) is usually
applied as the thermal conductive filler for epoxy resin, but its effects are
limited for the poor dispersion and compatibility in epoxy resin from its
chemical inertness, thus, the modification of BN is the highlighted issue
encountered in fabricating thermally conductive, insulative epoxy resin
composites. The paper mainly reviewed the recently developed modification
methods of BN and the characteristics, including the physical methods such as
physical exfoliation, encapsulation, hybridizing, and field-induced
orientation, and the chemical methods like functionalization, coupling agent
modification, surfactant modification, and chemical grafting. The futural
development trend in BN modification is also discussed.
Keywords:thermal
conductivity; epoxy resin; composites; boron nitride; modification
随着电子元器件逐渐向高度集成化、高功率密度的方向发展,设备的热管理问题显得愈发重要。精密电子元器件在高频高速运转时会产生大量的热,如何快速排散这些热量,延长其使用寿命,已成为行业关注的重点。环氧树脂(EP)成本低、力学性能和电绝缘性能优异,在集成电路中广泛用作封装材料和热界面材料,可以支撑和保护电路,促进热量耗散[1]。环氧树脂也是气体绝缘组合电器、干式电抗器、高压开关柜等关键设备中的重要绝缘材料。然而,环氧树脂结晶度低,导致其热导热率较低(约为0.17-0.21 W/(m·K))[2],限制了在芯片领域中的应用。填充改性技术可以有效提高环氧树脂的热导热率和绝缘强度等性能。在诸多填料中,六方氮化硼(h-BN)的平面结构类似于石墨烯,其面内热导率可以达到200-600W/(m·K)[3],而且其介电常数和介电损耗也非常低,具有良好的热稳定性和抗氧化性能、高的电击穿强度和绝佳的绝缘性能[4],因此是用于电子元器件的绝佳绝缘导热材料[5],目前已经被广泛应用于强化环氧树脂材料的导热等性能[6]。但是h-BN在基体中分散困难,容易团聚,经常需要添加大量氮化硼才可以提高导热率[7],这会增大环氧树脂体系的粘度和加工能耗。为了解决氮化硼团聚和界面结合力低的问题,需要对其进行物理或化学改性,本文主要对近年来用于导热绝缘环氧树脂复合材料的氮化硼的改性研究进展进行了归纳总结。
为提高h-BN在环氧树脂基体中的分散性,根据h-BN在改性中是否发生化学变化,氮化硼的改性方法可分为物理方法和化学方法,物理改性方法可分为物理杂化、物理包覆、场诱导取向、物理剥离等,化学方法分为功能化、偶联剂修饰、活性剂修饰、化学接枝等,具体的改性实践中往往是将物理方法和化学方法结合起来使用,以充分发挥两种方法的优势。
1. 物理改性
1.1物理杂化
物理杂化就是将不同粒径或晶型的氮化硼进行物理掺杂或者掺杂少量其他填料用于环氧树脂改性, 以发挥其协同作用。例如,填料质量分数为30wt%时,将粒径为1µm和5-10 µm的h-BN 以1:1的质量比掺杂可明显提高热压h-BN/EP复合材料的法向热导率 [8] Andritsch等[9]指出纳米级和微米级氮化硼掺杂可以提高环氧树脂的击穿强度。郭玉兰等[10]利用氮化硼和氧化石墨烯通过化学还原法制备了一种新型的具有三维网络结构的氮化硼/石墨烯复合填料,填料量为30wt%时,EP复合材料的热导率高于BN/EP复合材料, 达到EP热导率的5.38倍;由于石墨烯的含量低以及氮化硼的绝缘性能,复合材料仍保持良好的电绝缘性能。高健等[11]对BN进行多巴胺包覆,依靠多巴胺结构中的酚羟基和含氮基团对金属离子的吸附作用使银粒子沉积得到Ag@BN, 相同填料含量下所得Ag@BN/EP较BN/EP具有更高的热导率。Wan等[12]将硅烷(KH550)修饰的氧化铝纳米颗粒沉积在聚多巴胺(PDA)覆盖的六方氮化硼表面合成了一种新型的氮化硼和氧化铝的纳米杂化填料,将其分散于环氧树脂中可制备复合涂层,杂化填料在环氧树脂中表现出良好的分散性,杂化填料与环氧基体之间的界面附着力得到改善。汪蔚等[13]采用液相还原法制备了BN表面沉积纳米Sn粒子(BN-Sn NPs)的杂化填料用于EP的导热绝缘改性,在BN-Sn NPs/EP复合材料固化过程中,BN表面纳米Sn熔融烧结,有利于降低接触热阻并改善界面性能,当填料体积含量为30%时,EP复合材料的热导率达1.61W/(m·K),比改性前的BN/EP复合材料的热导率提高了近50%。
将不同成分和形貌的导热填料杂化填充到基体中,可以得到性能更优异的环氧树脂复合材料。填充多尺度复合填料有利于减少环氧基体中的界面缺陷,形成更多的导热通路。
1.2 物理包覆
利用结构中含有与环氧树脂基体分子有相互作用的物质对BN进行非共价键包覆,也可提高BN的分散性和改性效果。
例如利用多巴胺优异的包覆性能实现对氮化硼和石墨烯微片进行表面修饰,制备了环氧树脂导热绝缘复合材料,结果表明,经多巴胺改性的氮化硼和石墨烯微片能较均匀地分散于环氧树脂体系中,当添加30wt%的等量经包覆修饰的氮化硼和石墨烯微片的复合填料时,复合材料的热导率比纯基体树脂材料提高了238.9%,且仍保持优良的绝缘性能[14]。多巴胺包覆修饰后在氮化硼表面附着的极性基团增强了复合材料内的界面作用。植物多酚表儿茶素也被用于氮化硼的非共价修饰,提高了其在环氧树脂中的分散性、及复合材料的热导率和热稳定性[15]。陈佳亮等[16]通过钴源辐射引发甲基丙烯酸缩水甘油酯在氮化硼纳米片表面聚合实现表面包覆修饰,也可以提高氮化硼纳米片和环氧树脂的相容性。何子海等[17]通过合成液晶与BN纳米片共混超声得到功能化氮化硼纳米片,以之为填料制备了环氧树脂复合材料,提高了复合材料的强度、耐热性和热导率。Wu等[18]报道了一种利用聚乙烯亚胺的路易斯碱对六方BN进行包覆修饰后制备了水性环氧树脂复合体系中。
1.3 物理剥离
市售h-BN粉末的尺寸通常层数较多,径厚比和比表面积较低, 在环氧基体中难以分散,无法发挥出二维层状粉体的纳米尺寸优势, 将BN剥离成BN纳米片(BNNS) 可以提高其比表面积和径厚比。BNNS具有裸露的(002)晶体平面,能提高声子传输效率,有利于形成连续的高导热网路并提高环氧树脂的导热性, 因而有必要对其进行剥离。h-BN中B和N原子之间的不同电负性使其表现出部分离子化,因此, 与石墨烯中的C−C键相比,h-BN相邻层之间的B−N键使其更难被剥离。常用的剥离方法有球磨、水热法、胶带剥离、超临界二氧化碳辅助液相剥离、湿法球磨、超声辅助液相剥离、微波[19]等物理手段。例如,王帅等[20]将1g的BN分散到100mL异丙醇溶液中通过球磨实现了液相机械剥离,将BN剥离成厚度为10-20nm的BNNS,有利于后续的多重表面改性,当BNNS质量分数仅为3%时,复合材料的热导率即可达到0.394W/(m.K),较纯环氧提高了103%。张晓星等[21]以 N,N-二甲基甲酰胺为h-BN的剥离液经过72h的超声处理得到BNNS,
在 EP中掺杂 25%的BNNS所得复合材料的热导率达到1.13W/(m.K), 较纯EP提升了528%。Wu等[22]提出了一种绿色、可放大的氨基酸辅助球磨方法来剥离并功能化氮化硼,提高了氮化硼纳米片分散性,质量分数为30%的色氨酸和苯丙氨酸辅助剥离的氮化硼所得环氧复合材料的热导率分别高达2.1和1.96 W/(m.K), 同时,复合材料的机械强度也有显著提高。Lin等[23]对六方氮化硼进行液相剥离得到了氮化硼纳米片,所得氮化硼纳米片/环氧树脂复合材料的热导率比纯环氧树脂提高了113%。使用熔融氢氧化钠和氢氧化钾的混合碱对BN进行处理,使Na+、K+和OH—插入到BN层间空间中,有效地削弱了片层之间的相互作用并扩大了BNNS的层间距,超声波振荡处理的协同作用促进了BNNS的层间剥离, 提高了BNNS在环氧树脂中的分散性[24]。
1.4 场诱导取向
借助外场实现氮化硼的取向排列,有利于沿取向方向形成高效的导热通路以提高环氧树脂复合材料在氮化硼取向方向的热导率[25],使氮化硼取向使用较多的外场包括电场、磁场和力场等[26.27]。例如,在环氧树脂复合材料固化过程中施加电场,BN在电场中会被极化并产生诱导转矩,BN逐渐沿电场方向排布,实现电场取向。Wang等[28]利用磁场和热压制备BN-Ni纳米颗粒/环氧树脂复合材料(hmBN-Ni/EP),复合材料中的BN沿平面方向的取向优于仅用热压或磁场的EP复合材料,由于磁场取向和热压的协同作用使BN-Ni具有较高的面内取向,在BN-Ni含量为30 wt% 时,所得EP复合材料的热导率提高到2.42W/(m .K),比纯EP高1145%。Kim等[29]发现磁取向的氮化硼可进一步提高环氧树脂复合材料的热导率。Lin 等[30]在氮化硼纳米片上沉积磁性粒子,利用磁场作用制备了氮化硼纳米片沿磁场方向取向排布的环氧树脂复合材料,当氮化硼纳米片含量为 40wt% 时,其取向方向的热导率达到 1.0 W/(m·K)。
2. 化学改性
2.1功能化
BN表面几乎没有可以利用的官能团,呈化学惰性,与环氧树脂基体的相容性差,需要对其进行功能化改性。目前h-BN的功能化改性方法较多,例如通过化学或物理手段可以为h-BN接入羟基、醚键、胺基、烷基、卤素和杂原子等基团。这些功能基团可以直接提高氮化硼在树脂基体中的分散性,也有利于氮化硼的后续改性。羟基化通常可以利用强碱等激活六方氮化硼边缘的硼原子,在硼原子上接入-OH等活性官能团,进而可以增加其与环氧树脂基体基团间的结合作用,改善其分散性和改性效果。主要的方法包括化合物辅助球磨法、辅助球磨法、超声法、高温蒸汽法、高温退火法、熔融氢氧化物或热碱溶液处理法、H2O2热处理法、浓混酸处理法等。例如, 将5mol/L的NaOH溶液与h-BN粉末混合在80℃水浴中磁力搅拌12h,再在烘箱内于120℃反应12h,可得到表面羟基化的h-BN,方便了其后续的偶联剂接枝修饰,改善了其在环氧树脂中的分散性和导热改性效果[31]。 近年来,国内外已有学者采用高频交流源产生的等离子体对氮化硼等纳米粒子进行羟基化改性[32]。尽管交流源产生等离子体较为方便,但是不可避免地存在放电不均匀、电离效率低的问题。随着脉冲技术的发展,人们发现脉冲电源特别是纳秒脉冲电源可产生更均匀、能效更高的等离子体。米彦等[33,34]采用大气压双极性纳秒脉冲介质阻挡放电低温等离子体对BNNS进行羟基化改性,研究发现,在20%的相对湿度下,等离子体改性后氮化硼纳米片表面的羟基含量提高近2倍,增强了BNNS对偶联剂的吸附作用,使BNNS的分散性特征值增大10%以上。将尿素和h-BN通过球磨可以将氨基接入氮化硼得到氨基化氮化硼纳米片,可以增强氮化硼纳米片填料与EP基体间的界面相互作用,改善h-BN在环氧树脂复合材料中的分散性[35,36]。Cui等[37]利用苯胺三聚体AT与h-BN之间的非共价π-π相互作用实现了胺基对h-BN纳米片的表面功能化修饰, 提高了分散性, 促进了交联, 提高了性能。
与其他基团功能化改性h-BN相比,羟基功能化改性的方法较多,被认为是最具应用前景的改性方法。h-BN羟基化改性一般都是在较强的物理化学条件下实现的。目前,使用较多的羟基化方法为球磨法和超声法。与等离子体等物理方法相比,通过化学方法实现氮化硼功能化存在改性时间长、效率低、污染环境等问题。
2.2 偶联剂修饰
偶联剂分子中同时含有疏水基团和亲水基团,用于氮化硼的表面处理,可以增强氮化硼与环氧树脂基体的化学结合,提高氮化硼的分散性,有利于提高复合材料的最终性能,其中使用较多的是硅烷偶联剂。例如,为提高环氧树脂复合材料的性能,可以用少量硅烷偶联剂对氮化硼进行表面处理[38],使氮化硼和树脂基体的界面结合力改善,导热性能得到提高。夏彦卫等[39]采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)对羟基化氮化硼纳米片进行表面改性,有效改善了氮化硼纳米片在环氧树脂基体中的分散性,当BNNS的用量为20wt.%时,复合材料的热导率可达0.51W/(m·K),约为环氧树脂热导率的2.4倍。Hou等[40]用硅烷偶联剂对氮化硼进行改性,再与环氧树脂复合,30%的改性氮化硼可使复合材料的热导率达到1.178W/(m .K),较纯EP提高了约6.14倍。
偶联剂的改性使BN表面接枝了活性官能团,有助于其与环氧树脂基体的紧密结合,减少了固化过程中产生缺陷的概率,降低了声子平均自由程,提高了复合材料的导热性能[41]。
2.3 表面活性剂修饰
用表面活性剂对h-BN或功能化的h-BN 进行表面修饰,也可以提升所得环氧树脂复合材料的导热等性能。徐随春等[42]采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性羟基化的BN,研究了改性BN的加入量对所得环氧树脂/改性BN导热绝缘复合材料的导热性能、热稳定性以及绝缘性能等的影响。汪蔚等[43]使用十八烷基三甲基溴化铵来改性BN,制备了BN/EP复合材料, 当BN质量分数为30%时,EP复合材料热导率为1.03W/(m.K),较改性前的BN/EP复合材料提高了1.15倍。
如何增强表面活性剂与氮化硼间的相互作用以避免所得环氧树脂复合材料在贮存或加工使用过程中因表面活性剂迁移或析出而导致材料性能逐渐劣化是该BN修饰方法应该重点考虑的问题。
2.4 化学接枝
将聚合物或低分子有机物通过化学反应接枝到BN表面,引入活性官能团,可以有效增强BN与环氧树脂基体分子间的物理化学结合作用,提高其改性效果。Fang[44]及虞锦洪等[45]制备了超支化聚酰胺接枝氮化硼纳米片,发现引入接枝物显著提高了环氧树脂复合材料的交流击穿电压。高温剥离h-BN得到的羟基化氮化硼(OH-BN)经硅烷偶联剂KH-560进行乙氧基功能化修饰,再将不同笼形聚倍半硅氧烷(POSS)与之接枝制备了新型POSS修饰的氮化硼,提高了环氧树脂涂层的性能[46] 。
化学接枝可以有效地对BN进行表面修饰改性,但是,与物理方法相比,该方法往往会涉及较复杂的化学反应过程,耗时费力,也要在实施过程中避免环境污染等问题。
3. 物理化学复合处理法
单纯使用物理方法改性BN往往达不到稳定的效果,需要和化学改性方法结合起来。例如,微米氮化硼难以与基体发生化学反应,先通过行星球磨法液相剥离微米氮化硼获得氮化硼纳米片,再使用苛性钠对氮化硼纳米片羟基化处理,随后利用盐酸多巴胺对氮化硼纳米片进行表面处理,以提高其与基体中的相容性和界面作用[47]。Shi等[48]在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中对h-BN粉末进行超声处理,同时利用路易斯酸碱相互作用对h-BN纳米片实现了剥离和功能化,所得PEI-BNNSs能显著提高水性环氧涂料的性能。谢庆等[49]学者发现,对BN填料进行氟化剥离有助于电荷消散。
4. 结论与展望
综上所述,用于制备导热绝缘环氧树脂复合材料的氮化硼的改性研究已经取得了很多成果,未来随着相关研究的不断开展,h-BN改性环氧树脂势必会在导热绝缘等领域中发挥重要作用。将来,用于导热绝缘环氧树脂复合材料的h-BN改性工作应该重视以下几个方面:1)h-BN纳米片的绿色规模化简易制备工艺的开发。目前,h-BN纳米片的制备方式仍然以液相剥离为主,其中使用大量有机挥发物、产量低、过程复杂等问题需要克服。2)应充分发挥电磁场、等离子体等物理技术对BN的改性作用,因为与化学方法相比,这些物理手段具有简便、环保、快捷等诸多优点。3)目前的改性方法往往是多种物理化学技术的结合,效率较低,而且在用于环氧树脂的导热改性时BN用量仍较高,改性BN在降低其和环氧树脂基体之间的界面热障尚不理想,一定程度上会劣化复合材料的其他性能。为此,有必要开发更简便高效的BN表面改性技术,以改善BN在环氧树脂基体中的分散性和相容性,充分发挥BN的二维结构和性能特点,得到高性能导热绝缘环氧树脂复合材料,使其在芯片、大规模集成电路等重要领域发挥应有的功用。
参 考 文 献
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