具有皮-芯結(jié)構(gòu)的絕緣碳納米管及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米材料，尤其涉及一種表面包覆絕緣層的碳納米管，作為填充材料應(yīng)用于環(huán)氧樹脂組合物中，以及制備碳納米管的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子元器件的小型化、微型化和高度集成化發(fā)展，其體積急劇縮小，由此帶來的散熱困難及熱量積累會嚴重影響到器件的精度和使用壽命，這已成為目前電子元器件持續(xù)小微型化的技術(shù)瓶頸，很大程度上制約著電子集成技術(shù)的進一步發(fā)展。另外，大中型高壓發(fā)電機組、電機以及大功率電氣、電子產(chǎn)品等，其運行過程中的發(fā)熱、傳熱、冷卻，直接影響到其工作效率、使用壽命和可靠性等重要指標。因此，采用有效的方法解決結(jié)構(gòu)散熱和研制高導(dǎo)熱絕緣材料，已成為現(xiàn)代電子、電氣工業(yè)發(fā)展急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]填充型導(dǎo)熱聚合物制備工藝簡單、生產(chǎn)成本較低，因此，在電子、電氣工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)金屬材料，如Au、Ag、Cu、Al、Mg等，具有很高的導(dǎo)熱性，但均為導(dǎo)體，不能用作絕緣材料，而部分無機非金屬材料，如金屬氧化物々1203、]\^0、2110、附0，金屬氮化物六11'1、Si3N4、BN，以及SiC陶瓷等，既具有較高導(dǎo)熱性，同時也具有優(yōu)良的絕緣性能，因此被廣泛用作微電子、電機、電器等領(lǐng)域中的散熱絕緣材料。
[0004]碳納米管(CNTs)具有極高的熱導(dǎo)率和高長徑比，是改善聚合物材料熱導(dǎo)率的理想材料。但是，CNTs具有導(dǎo)電性，直接作為聚合物填料使用，在改善材料導(dǎo)熱性的同時，其絕緣性能也大大下降。采用表面包覆的方法，可賦予碳納米管電絕緣性能。如文獻(趙瑾朝.聚氨酯/表面修飾碳納米管復(fù)合材料的制備與導(dǎo)熱、電絕緣行為[D].武漢:華中科技大學(xué)博士論文，2011.)采用溶膠-凝膠法制備了二氧化硅包覆碳納米管(Si02@MWNTs)，并與聚氨酯(PU)復(fù)合。由于Si02包覆層的電絕緣作用，使HJ/Si02@MWNT復(fù)合材料保持了 PU的電絕緣性能。但由于所包覆的Si02絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)低，且為物理吸附在碳納米管表面，會影響材料的導(dǎo)熱性及穩(wěn)定性。該文獻同時還合成了籠型倍半硅氧烷接枝多壁碳納米管(P0SS@MWNTs)，P0SS包覆層不僅保持了PU基體原有的電絕緣性能，提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，并且同時提高了 MWNTs和復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，使其在熱界面材料領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用前景。但是，POSSOMffNTs的合成工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到限制。專利CN104629069A通過異丙醇鋁水解，得到絕緣層包覆的碳納米管。由于所用碳納米管表面無活性基團，其表面包覆的絕緣層也是物理吸附。專利CN103554900A和CN104861298A在熱塑性聚合物中添加一種或多種無機粉末，與碳納米管復(fù)配，通過確定無機粉末與碳納米管的配比，使導(dǎo)電碳納米管之間被絕緣無機粒子所隔開，互不搭接，從而制備填充型導(dǎo)熱絕緣塑料。該法的無機粉末填充量很高，影響了產(chǎn)品的導(dǎo)熱性，并往往伴隨著成型加工困難、機械性能惡化等技術(shù)缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個目的在于提供一種絕緣碳納米管，該材料以碳納米管為芯，表面包覆Al2O3絕緣層，以解決現(xiàn)有聚合物填充材料導(dǎo)熱性和絕緣性不易兼得的問題。
[0006]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種絕緣碳納米管在制取絕緣散熱環(huán)氧樹脂中的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的再一個目的在于提供一種絕緣散熱環(huán)氧樹脂組合物，其以絕緣碳納米管為填充材料。
[0008]本發(fā)明的又一個目的在于提供一種方法，以便于制取絕緣碳納米管。
[0009]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種絕緣碳納米管，以碳納米管為芯，Al2O3包覆于碳納米管外(Al2O3OCNTs)。優(yōu)先選擇的，碳納米管為羥基化碳納米管，輕基含量為3.5?4.0wt%，外徑為l-2nm，長度為5?30μηι。
[0010]將本發(fā)明提供的絕緣碳納米管作為填充材料制取絕緣散熱環(huán)氧樹脂。
[0011]本發(fā)明提供的一種絕緣散熱環(huán)氧樹脂組合物，其以絕緣碳納米管為填充材料。
[0012]為便于獲得本發(fā)明的絕緣碳納米管，以用于絕緣散熱環(huán)氧樹脂組合物，本發(fā)明還提供一種制取方法，包括如下步驟:
[0013]第一步:將羥基化碳納米管經(jīng)加熱處理，以去除其表面存在的油性介質(zhì)及其它低分子物質(zhì)，得到處理后的碳納米管；
[0014]第二步:使水合硝酸鋁(Al(NO3)3.9Η20)在碳納米管表面進行溶膠-凝膠反應(yīng)，得到凝膠狀A(yù)l (OH)3包覆的碳納米管；
[0015]第三步:將凝膠狀A(yù)l(OH)3包覆的碳納米管采用行星式球磨機粉碎，得到粉末狀A(yù)l(OH)3包覆碳納米管，即Al (OH)3OCNTs ；
[0016]第四步:加熱所述的粉末狀A(yù)l(OH)3包覆碳納米管，使碳納米管表面羥基與其表面包覆的Al (OH)3發(fā)生縮合反應(yīng)，同時Al (OH)3本身也會發(fā)生縮合反應(yīng)，從而得到表面包覆Al2O3絕緣層的改性碳納米管，S卩Al2O3OCNTs。
[0017]本發(fā)明提供的制取方法，第一步使用的加熱處理的溫度為300°C±10°C，時間為2小時± I小時。
[0018]本發(fā)明提供的制取方法，溶膠-凝膠反應(yīng)以乙醇為溶劑、環(huán)氧丙烷為催化劑，于室溫反應(yīng)。
[0019]本發(fā)明提供的制取方法，Al(NO3)3.9H20和環(huán)氧丙烷用量分別為經(jīng)第一步處理后的碳納米管的70wt%?8(^1:%和60￥1:%?70wt%。
[0020]本發(fā)明提供的制取方法，加熱粉末狀A(yù)l(OH)3OCNTs的溫度為700°C 土 20°C，時間為2小時± I小時。
[0021]本發(fā)明技術(shù)方案實現(xiàn)的有益效果:
[0022]本發(fā)明提供的絕緣碳納米管，以碳納米管為芯，Al2O3包覆于碳納米管外，賦予了碳納米管以絕緣性。
[0023]本發(fā)明提供的絕緣碳納米管，以其作為填料制得的環(huán)氧樹脂組合物，工藝性及穩(wěn)定性良好，固化產(chǎn)物具有優(yōu)良電絕緣性，在較低的填充量(8w/w%?1w/w % )下即可獲得較高的導(dǎo)熱率(0.7W/m.K?0.9W/m.K)，可廣泛用于各類電氣絕緣材料和電子封裝材料。
[0024]本發(fā)明提供的絕緣碳納米管的制備方法，以乙醇為分散介質(zhì)，生產(chǎn)過程環(huán)保、成本低，且易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0025]以下詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
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