復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種復合材料及其制備方法。以質量百分比計，該復合材料包括：無機導熱填料5％～50％；季銨鹽改性纖維素0.1％～2％；環氧樹脂25％～50％；固化劑15％～45％；促進劑0.1％～1.5％。季銨鹽改性纖維素帶有正電荷，無機導熱填料帶有負電荷，通過靜電作用吸附無機導熱填料，使其均勻、牢固地連接在纖維網絡中，得到復合材料的骨架。在固化劑和促進劑的作用下，環氧樹脂交聯固化成網狀立體聚合物，把含有無機導熱填料的骨架包絡在網狀體中，使復合材料兼具高導熱性和高絕緣性。

【技術實現步驟摘要】
復合材料及其制備方法
本專利技術涉及聚合物復合材料
，特別涉及環氧樹脂基復合材料及其制備方法。
技術介紹
環氧樹脂，結構上具有羥基和環氧基，化學活性高，用途廣泛。鑒于其具有力學性能高、附著力強、工藝性好和電絕緣性能優良等優勢，常用于電力電子變壓器的封裝，但其熱導率較低(約為0.2W/(m·K))，遠遠達不到器件散熱的要求。隨著電力電子技術的發展，設備向著小型化、高頻化、高功率化的方向發展，電力電子變壓器在運行過程中會積累大量的熱，若熱量無法有效散出，將會大幅度縮減設備的壽命。如何提高環氧樹脂封裝材料的熱導率，同時保證其在高頻下的優良絕緣性能，是目前電力電子變壓器封裝與散熱面臨的一個相當重要的課題。相對于本征型導熱復合材料，填充型導熱復合材料工藝簡單，成本低，得到廣泛研究和實際應用。即在環氧樹脂基體中直接添加高導熱填料，當填充量達到臨界值時，填料之間相互接觸，復合材料導熱會得到大幅度提高，該種方法可以方便快捷地增強聚合物的導熱系數。眾所周知，電力電子變壓器有兩方面的特點，一方面是高壓，對封裝材料的絕緣要求很高；另一方面是高頻化，頻率的提升會導致電力電子變壓器的發熱問題更嚴重，加快其老化，這反過來影響材料的絕緣性能，使復封裝材料容易發生熱擊穿，從而影響設備的壽命。在一些研究中，使用了金屬類(如金、銀、銅等)和碳類材料(如石墨、碳纖維等)作為導熱填料，雖然可以較大幅度提升環氧樹脂的熱導率，但由于使用了金屬類和碳類材料，會顯著降低環氧樹脂的絕緣性能，這并不適合電力電子變壓器用封裝。其次，一般而言，導熱填料的填充量越大，復合材料導熱系數越大。但添加量多，其流延性就會下降，不利于復合材料的加工成型。如何在低填料填充量的條件下同時實現環氧樹脂基復合材料具有高導熱和高絕緣性能是研究人員亟需解決的問題。
技術實現思路
基于此，本專利技術提供了一種高導熱、高絕緣的環氧樹脂基復合材料。技術方案如下：一種復合材料，以質量百分比計，包括：在其中一實施例中，以質量百分比，所述的復合材料包括：在其中一實施例中，以質量百分比，所述的復合材料包括：在其中一實施例中，所述季銨鹽改性纖維素中季銨鹽的含量為0.7mmol/g～1.3mmol/g。在其中一實施例中，所述季銨鹽為環氧季銨鹽。優選地，所述季銨鹽為2,3-環氧丙基三甲基氯化銨。在其中一實施例中，所述無機導熱填料選自氮化硼、氮化鋁、氧化鋁和二氧化硅中的至少一種。在其中一實施例中，所述環氧樹脂選自雙酚A型環氧樹脂和雙酚F型環氧樹脂中的至少一種。在其中一實施例中，所述固化劑選自甲基四氫苯酐和甲基六氫苯酐中的至少一種。在其中一實施例中，所述促進劑選自2-乙基-4-甲基咪唑和N,N-二甲基芐胺中的至少一種。本專利技術還提供一種如上所述的復合材料的制備方法，包括如下步驟：將所述的無機導熱填料、季銨鹽改性纖維素和水混合，制備混合物A；對所述混合物A進行冰模板處理，制備得到具有定向排列結構的網絡導熱骨架；將所述的環氧樹脂、固化劑和促進劑混合，制備混合物B；將所述具有定向排列結構的網絡導熱骨架和混合物B混合，依次進行真空脫泡處理和固化處理。在其中一實施例中，在所述冰模板處理的凍結過程中，采用的制冷劑選自液氮、干冰或固體乙醇；在所述冰模板處理的凍干過程中，真空度<10Pa，溫度<-50℃，時間>48h。在其中一實施例中，所述真空脫泡處理的時間為1h～48h，真空度小于133Pa。在其中一實施例中，所述固化處理包括預固化處理和二次固化處理，所述預固化處理的溫度為90℃～110℃，時間為1.5h～3h；所述二次固化處理的溫度為130℃～160℃，時間為8h～15h。與現有方案相比，本專利技術具有以下有益效果：本專利技術提供的環氧樹脂基復合材料，其制備原料主要包括特定量的無機導熱填料、季銨鹽改性纖維素、環氧樹脂、固化劑和促進劑。其中，季銨鹽改性纖維素帶有正電荷，無機導熱填料表面因有羥基等基團從而帶有負電荷，通過靜電作用吸附無機導熱填料，使其均勻、牢固地連接在纖維網絡中，得到復合材料的骨架。在固化劑和促進劑的作用下，環氧樹脂交聯固化成網狀立體聚合物，把含有無機導熱填料的骨架包絡在網狀體中，使復合材料兼具高導熱性和高絕緣性。經測試，本專利技術提供的環氧樹脂基復合材料的熱導率大于0.3W/(m·K)，工頻下的擊穿場強可保持在純環氧樹脂的擊穿場強的95％左右，在44kHz高頻下(電壓幅值13kV)的擊穿時間可達79.97s，比純環氧樹脂(18.85s)提高3倍以上％。可見，本專利技術提供的環氧樹脂基復合材料在維持工頻絕緣性能的條件下，還提升了導熱性和高頻擊穿特性。本專利技術提供的環氧樹脂基復合材料的制備方法，使用冰模板法(凍結和凍干)對無機導熱填料進行排序，使無機導熱填料和季銨鹽改性纖維一起形成三維網絡導熱骨架，再將三維網絡導熱骨架和環氧樹脂復合，制得高導熱、高絕緣的復合材料，操作簡單，原材料價格低廉且易獲取，可大規模制備，具有廣闊的應用前景。附圖說明圖1為本專利技術實施例中凍結處理所用裝置的示意圖；圖2為本專利技術實施例1中具有定向排列結構的網絡導熱骨架的SEM圖；圖3為本專利技術實施例2制得的環氧樹脂基復合材料和對比例1的純環氧樹脂在頻率為44kHz、幅值為3.8kV電壓條件下的紅外熱成像圖。具體實施方式以下結合具體實施例對本專利技術作進一步詳細的說明。本專利技術可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本專利技術公開內容理解更加透徹全面。除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本專利技術的
的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本專利技術的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本專利技術。本文所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情況下，意圖在于覆蓋不排他的包含，除非使用了明確的限定用語，例如“僅”、“由……組成”等，否則還可以添加另一部件。除非相反地提及，否則單數形式的術語可以包括復數形式，并不能理解為其數量為一個。此外，附圖并不是以1：1的比例繪制，并且各元件的相對尺寸在附圖中僅以示例地繪制，以便于理解本專利技術，但不一定按照真實比例繪制，附圖中的比例不構成對本專利技術的限制。具體地，本專利技術的技術方案如下：技術方案如下：一種基復合材料，以質量百分比計，包括：本專利技術提供的環氧樹脂基復合材料，其制備原料主要包括特定量的無機導熱填料、季銨鹽改性纖維素、環氧樹脂、固化劑和促進劑。其中，季銨鹽改性纖維素帶有正電荷，無機導熱填料表面因有羥基等基團從而帶有負電荷，通過靜電作用吸附無機導熱填料，使其均勻、牢固地連接在纖維網絡中，得到復合材料的骨架。在固化劑和促進劑的作本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種復合材料，其特征在于，以質量百分比計，包括：/n

【技術特征摘要】
1.一種復合材料，其特征在于，以質量百分比計，包括：





2.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于，以質量百分比計，包括：





3.根據權利要求1或2所述的復合材料，其特征在于，所述季銨鹽改性纖維素中季銨鹽的含量為0.7mmol/g～1.3mmol/g；所述季銨鹽為環氧季銨鹽。


4.根據權利要求3所述的復合材料，其特征在于，所述無機導熱填料選自氮化硼、氮化鋁、氧化鋁和二氧化硅中的至少一種。


5.根據權利要求4所述的復合材料，其特征在于，所述環氧樹脂選自雙酚A型環氧樹脂和雙酚F型環氧樹脂中的至少一種。


6.根據權利要求5所述的復合材料，其特征在于，所述固化劑選自甲基四氫苯酐和甲基六氫苯酐中的至少一種；和/或
所述促進劑選自2-乙基-4-甲基咪唑和N,N-二甲基芐胺中的至少一種。


7.權利要求1至6任一項所述的復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊穎，姚彤，陳可，牛騰騰，王菁，
申請(專利權)人：清華大學，浙江清華長三角研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11