ТЕПЛОПРОВОДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК B82B3/00 C08L23/06 C08K3/08 C08K3/22 C08F292/00 C08K9/10 

Изобретение относится к композиционным материалам (КМ) с функциональными свойствами на основе высокомолекулярных соединений; а именно к полимерным теплопроводящим электроизоляционным КМ, и может быть использовано при изготовлении теплоотводящих элементов, в том числе радиаторов охлаждения, в электротехнических и электронных устройствах различного назначения.

Теплопроводящие полимерные КМ, содержащие металлические или металлокерамические наполнители, широко применяются в электро- и теплотехнике, электронике. Такие композиты, как правило, получают путем механического смешения полимера и наполнителя с применением предварительной обработки наполнителей органомодифицирующими соединениями для придания им органофильных свойств.

Известны теплопроводящие композиты на основе силиконовых полимеров: в патенте US 6040362, 21.03.2000 предложен теплопроводящий материал, содержащий в качестве наполнителя частицы металла, покрытые слоем оксида или нитрида, среднего размера от 0,1 до 50 мкм, коэффициент теплопроводности составляет 1,50-2,15 Вт/м·К; в патенте US 8106119, 31.01.2012 предложен композит, содержащий 25-50% об. силикона и сложный по дисперсности частиц и их соотношению наполнитель из оксидов металлов или карбидов, коэффициент теплопроводности достигает 5,8 Вт/м·К. Недостатком материалов на основе силиконовых полимеров является их недостаточная жесткость.

Известны композиты на основе эпоксидных связующих и микро- или наночастиц Al₂O₃, BN, AlN. Для микрокомпозитов при содержании наполнителя около 60 об. % коэффициент теплопроводности достигает 5-11 Вт/м·К, а для нанокомпозитов при меньших наполнениях приводится теплопроводность до 3 Вт/м·К (Т. Tanaka, М. Kozako and K. Okamoto «Toward High Thermal Conductivity Nano Micro Epoxy Composites with Sufficient Endurance Voltage», Journal of International Council on Electrical Engineering, V. 2, No. 1, pp. 90-98, 2012). Недостатком материалов на основе эпоксидных смол является хрупкость композитов даже при низких степенях наполнения, а также технологические сложности процессов отверждения при изготовлении изделий из них.

В патенте US 7968624, 28.06.2011 предложен высоконаполненный (до 82% об.) теплопроводящий материал, содержащий в качестве наполнителя смесь частиц алюминия микро- (1-20 мкм) и наноразмера (1-200 нм). Для полимерной матрицы использовали эпоксидные смолы или полисилоксаны. Коэффициент теплопроводности достигал 6,4 Вт/м·К.

Известны композиты на основе полиолефиновых матриц, получаемые методом механического смешения компонентов в расплаве. Материалы, содержащие микронные частицы Al, имеют низкую теплопроводность: λ не более 3,5 Вт/м·К при содержании Al в ПЭВП 35%об. (I.H. Tavman "Thermal and Mechanical Properties of Aluminum Powder-Filled High-Density Polyethylene Composites», Journal of Applied Polymer Science, Vol. 62, pp. 2161-2167, 1996). При использовании в качестве наполнителя для ПЭВП оксида алюминия варьирование размера частиц от 10 мкм до 100 нм не привело к получению материала с достаточной теплопроводностью - при содержании Al₂O₃ до 50 об. % значение λ≈0,55 Вт/м·К (S. Zhang «The effects of particle size and content on the thermal conductivity and mechanical properties of Al₂O₃/high density polyethylene (HDPE) composites», EXPRESS Polymer Letters, Vol. 5, No. 7, pp. 581-590, 2011). В заявке WO 2012114309, 30.08 2012 описан композиционный материал на основе ПЭВП и смеси MgO, BN и графита (размер частиц до 200 мкм, общее содержание наполнителя до 51% об.) с максимальным значением коэффициента теплопроводности 3,31 Вт/м·К и высоким электрическим сопротивлением (>10⁷ Ом·см).

Недостатком композитов на основе полиолефинов, получаемых методом механического смешения, является низкий коэффициент теплопроводности. Это связано с невозможностью достичь равномерного распределения наполнителя в полимерной матрице, особенно при больших его количествах, и преодолеть агрегацию частиц, наблюдаемую уже при невысоких степенях наполнения.

Помимо традиционных технологий смешения известен метод полимеризационного наполнения полиолефинов путем полимеризации олефинов на поверхности частиц наполнителя (см., например, Adelman R.L., Howard E.G. US 4151126, 1979; Авт. свид. СССР №763379, Л.А. Костандов, Н.С. Ениколопов, Ф.С. Дьячковский, Л.А. Новокшонова, Ю.А. Гаврилов, О.И. Кудинова и др., опубл. 15.09.80; Новокшонова Л.А., Мешкова И.Н. Высокомолек. соед., сер. А, 1994, т. 36, №4, с. 629; Borisov Yu.V., Grinev V.G., Kudinova O.I., Novokshonova L.A., Tarasova G.M., Ponomarenko A.T., Ryvkina N.G., Shevchenko V.G., Tchmutin I.A. «Electrical properties of polyolefine based alumoplastics», Acta Polymerica. 1992, B. 43, s. 131; Grinev V.G., Kudinova O.I., Novokshonova L.A., Shevchenko V.G., Tchmutin I.A. «New aluminum-filled polyolefins combining heat-conducting dielectrical properties», Ext. Abstr. Conf. on Filled Polymers and Fillers "Eurofillers 97", Manchester, UK. 1997, p. 439), который обеспечивает равномерное распределение наполнителя в полимерной матрице при любых степенях наполнения (вплоть до предельно высоких).

Наиболее близким к предлагаемому способу получения заявляемого теплопроводящего электроизоляционного КМ (вариантов) является способ получения КМ методом полимеризационного наполнения путем полимеризации α-олефина на поверхности частиц наполнителя в присутствии иммобилизованной каталитической системы, состоящей из соединения переходного металла (VCl₄ или TiCl₄) и алюминийорганического соединения в качестве сокатализатора при массовом соотношении соединения переходного металла к алюминию (10^-4-10^-3):1, при давлении мономера 1-40 атм (Авт. свид. СССР №763379, Л.А. Костандов, Н.С. Ениколопов, Ф.С. Дьячковский, Л.А. Новокшонова, Ю.А. Гаврилов, О.И. Кудинова и др., опубл. 15.09.80 - прототип).

В способе-прототипе используют различные наполнители с достаточно крупным размером частиц (от 50-100 мкм до 1 мм). При использовании в этом способе наноразмерных частиц наполнителя невозможно избежать агломерации наночастиц и достичь их равномерного распределения в полимерной матрице, что отрицательно сказывается на теплопроводящих, диэлектрических и физико-механических свойствах получаемого материала.

Наиболее близким к предлагаемому теплопроводящему электроизоляционному КМ (вариантам) является полимеризационно наполненный КМ, содержащий полимерную матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и теплопроводящий наполнитель: частицы алюминия среднего размера 10 мкм с оксидным барьерным слоем на поверхности в количестве до 62 об. % (83 мас. %) (В.Г. Гринев, О.И. Кудинова, Л.А. Новокшонова, И.А. Чмутин, В.Г. Шевченко «Диэлектрические и механические свойства теплопроводящих полимеризационно наполненных композиционных материалов на основе полиолефинов и алюминия», Высокомолек. соед., сер. А, 2004, т. 46, №6, с. 1037-1044 - прототип).

Материал, выбранный за прототип, является диэлектриком - электропроводность σ_dc в зависимости от степени наполнения (57-83 мас. %) составляет 10^-15÷10^-6 Ом^-1·см^-1, коэффициент теплопроводности λ при содержании наполнителя 79 мас. % (56 об. %) достигает 1,8 Вт/м·К, высокие физико-механические характеристики сохраняются до 79 мас. % содержания наполнителя.

Недостатками материала-прототипа являются невысокие значения коэффициента теплопроводности даже при высокой степени наполнения и резкое падение электрического сопротивления при увеличении содержания наполнителя.

Задачей изобретения является разработка способа получения КМ, который позволит использовать мелкодисперсные наполнители - вплоть до наноразмерных частиц - и обеспечит равномерное распределение теплопроводящего наполнителя в полимерной матрице, что гарантирует высокий уровень теплопроводящих, диэлектрических и физико-механических свойств получаемого материала.

Задачей изобретения является также получение заявляемым способом теплопроводящего электроизоляционного композиционного материала (вариантов), обладающего высокими теплопроводящими и диэлектрическими свойствами при сохранении хороших физико-механических свойств даже при сверхвысоких степенях наполнения.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом получения теплопроводящего электроизоляционного композиционного материала полимеризацией этилена на поверхности частиц наполнителя в присутствии иммобилизованного на них катализатора, состоящего из соединения переходного металла и алюминийорганического соединения, в котором, согласно изобретению, в качестве наполнителя используют наночастицы алюминия с поверхностным оксидным слоем или смесь микро- и наночастиц алюминия с поверхностным оксидным слоем, которые вакуумируют при 80-100°C, охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают тетрахлоридом ванадия или титана в количестве 10^-5-10^-4 г на 1 г наполнителя из паровой фазы или в среде углеводородного растворителя, выдерживают 20-30 минут, добавляют углеводородный растворитель, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком, повышают температуру до 25-30°C, вводят алюминийорганическое соединение, подают этилен до давления 0,2-0,4 ата, через 5-6 мин повышают давление этилена до 2-3 ата и температуру до 40-60°C и продолжают полимеризацию этилена на поверхности частиц наполнителя до образования на них покрытия из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) толщиной 6-150 нм.

Полимеризацию этилена на поверхности частиц наполнителя предпочтительнее проводить при интенсивном перемешивании.

СВМПЭ, образующийся на поверхности частиц наполнителя, имеет молекулярную массу не менее 1·10⁶.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым теплопроводящим электроизоляционным композиционным материалом (вариантами), получаемым заявленным способом:

- теплопроводящим электроизоляционным композиционным материалом на основе СВМПЭ, содержащим частицы алюминия с поверхностным оксидным слоем, который, согласно изобретению, содержит наночастицы алюминия в количестве от 55 до 90 мас. %, при этом наночастицы алюминия имеют средний размер 20-180 нм с массовым содержанием поверхностного оксидного слоя от 5 до 50%;

- теплопроводящим электроизоляционным композиционным материалом на основе СВМПЭ, содержащим частицы алюминия с поверхностным оксидным слоем, который, согласно изобретению, содержит смесь микрочастиц алюминия среднего размера 10-20 мкм и наночастиц алюминия среднего размера 20-100 нм при массовом соотношении от 80/20 до 20/80 в количестве 55-96 мас. %, при этом массовое содержание поверхностного оксидного слоя на микрочастицах алюминия не превышает 10%, а на наночастицах - не превышает 25%.

При создании предлагаемого изобретения были проведены детальные экспериментальные исследования влияния на теплопроводящие, диэлектрические и физико-механические свойства получаемого КМ размера нано- и микрочастиц алюминия, соотношения микронных и наноразмерных частиц при использовании их смеси, величины поверхностного оксидного слоя на частицах алюминия разного размера, количества наполнителя в материале и условий полимеризации.

В результате проведенных исследований было установлено, что уменьшение размера частиц алюминия в композите вплоть до наноразмеров не приводит к существенному изменению теплопроводности по сравнению с материалом-прототипом, использующим микронные частицы алюминия (при близких значениях содержания наполнителя), но позволяет увеличить электрическое сопротивление КМ. Уменьшение размера наночастиц ниже 20 нм приводит к значительному снижению значения коэффициента теплопроводности.

При исследовании в качестве наполнителя смеси микронных и наноразмерных частиц алюминия уже первые наши эксперименты (Кудинова О.П., Новокшонова Л.А., Гринев В.Г., Крашенинников В.Г., Нежный П.А., Рывкина Н.Г., Чмутин И.А., Березкина Н.Г. «Влияние дисперсного состава алюминия на теплопроводящие и диэлектрические свойства металл-полимерных композиционных материалов». Тезисы доклада, 6-я Всероссийская Каргинская конференция «Полимеры-2014», Москва, 27.01-31.01.2014, Т. II, часть 2, с. 812, kargin.msu.ru) показали возможность повышения теплопроводности композита. Дальнейшие исследования были направлены на определение оптимального соотношения микро- и наночастиц алюминия в их смеси для получения максимального значения теплопроводности КМ. Размер микро- и наночастиц алюминия в используемой смеси влияет на свойства композита не так заметно, как их массовое соотношение в смеси, но было установлено, что отношение размера микрочастиц к размеру наночастиц не должно превышать 1000, но и не должно быть менее 100 - иначе не достигается оптимальное распределение наночастиц между микрочастицами и не образуется достаточного количества теплопроводящих путей, в результате теплопроводность КМ падает.

Важным результатом проведенных экспериментов является установление факта существенного влияния на свойства материала величины поверхностного оксидного слоя на частицах алюминия - увеличение толщины оксидного покрытия на частицах алюминия приводит к понижению теплопроводности композиционного материала.

Варьирование количества наполнителя в материале позволило установить, что высокие теплопроводящие и диэлектрические свойства достигаются при содержании частиц алюминия в композите не менее 55 мас. % и возрастают при дальнейшем увеличении содержания наполнителя. При использовании в качестве наполнителя наночастиц алюминия (вариант 1 предлагаемого материала) увеличение содержания наполнителя выше 90 мас. % приводит к ухудшению деформационно-прочностных свойств (падают характеристики прочности и пластичности). При использовании в качестве наполнителя смеси микро- и наночастиц алюминия (вариант 2) предлагаемый материал обладает необходимым уровнем физико-механических свойств вплоть до содержания наполнителя в количестве 96 мас. %.

Исследование процесса полимеризации было направлено на поиск условий, которые обеспечат наиболее равномерное распределение наполнителя в полимерной матрице, что гарантирует высокий уровень теплопроводящих, диэлектрических и физико-механических свойств получаемого материала. Было установлено, что процесс полимеризации этилена следует начинать в мягких условиях (температура 25-30°C, давление этилена 0,2-0,4 ата) для получения при этом в условиях интенсивного перемешивания тонкого полимерного покрытия на частицах наполнителя. Затем процесс полимеризации интенсифицируют, повышая температуру до 40-60°C и давление мономера до 2-3 ата, при этом толщина СВМПЭ покрытия на поверхности частиц алюминия растет до заданной величины. Такие условия полимеризации гарантируют сочетание диэлектрических и теплопроводящих свойств материала.

Для преодоления агрегации наноразмерных частиц наполнителя на стадии полимеризации и достижения равномерного их распределения, в том числе между микронными частицами, и в целом в полимерной матрице композита наполнитель, активированный катализатором, обрабатывают ультразвуком (в растворителе). Кроме того, количество подаваемого тетрахлорида ванадия или титана было подобрано таким образом, чтобы соединение переходного металла полностью закреплялось на поверхности частиц алюминия и полимеризация этилена происходила только на поверхности частиц наполнителя, что повышает однородность предлагаемого материала.

Помимо алюминия в качестве дисперсных наполнителей в предлагаемом изобретении может быть использован широкий спектр материалов, которые обладают высокой теплопроводностью: порошки металлов, такие как медь, серебро и др., имеющие поверхностный слой из оксида металла, нитрида металла или оксинитрида металла; керамические материалы, такие как оксид алюминия, нитрид алюминия, нитрид бора, и др. или их смеси.

Предлагаемый способ получения КМ (вариантов) осуществляют следующим образом.

Наполнитель, представляющий собой нанодисперсный порошок алюминия или смесь нано- и микрочастиц алюминия выбранного состава, помещают в реактор, вакуумируют при температуре 80-100°C, охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают тетрахлоридом ванадия или титана из паровой фазы или в среде углеводородного растворителя (VCl₄ или TiCl₄ хемосорбируется на поверхности частиц наполнителя), выдерживают 20-30 минут, добавляют углеводородный растворитель (например, гептан, гексан), обрабатывают полученную суспензию ультразвуком в течение 5-40 мин при мощности 20-500 Вт, повышают температуру до 25-30°C, вводят алюминийорганическое соединение типа Al(i-Bu)₃, AlEt₃, AlEt₂Cl, подают этилен до давления 0,2-0,4 ата и начинают полимеризацию при интенсивном перемешивании, через 5-6 мин повышают давление этилена до 2-3 ата, температуру до 40-60°C и продолжают процесс полимеризации этилена на поверхности частиц наполнителя. По достижении заданной толщины покрытия из СВМПЭ на частицах алюминия процесс полимеризации прекращают. В случае необходимости продукт промывают спиртом и сушат. Получают КМ в виде дисперсного порошка.

Приводим примеры получения предлагаемого материала (вариантов).

Пример 1 (наполнитель - наночастицы алюминия, вариант 1 материала)

В металлический реактор помещают 100 г нанодисперсного алюминия со средним размером частиц 50 нм, величиной оксидного покрытия 25 мас. % и с удельной поверхностью 30 м²/г, откачивают при температуре 80°C при остаточном давлении 10^-1 мм рт.ст. в течение 30 мин, охлаждают реактор до комнатной температуры, после чего подают пары VCl₄ в количестве 0,008 г. Соотношение VCl₄ и наполнителя составляет 0,8·10^-4 г VCl₄ на 1 г нанодисперсного алюминия. Через 30 мин получают наночастицы алюминия, содержащие 1,38·10^-9 моль VCl₃ на 1 м² их поверхности, откачивают реактор до остаточного давления 10^-1 мм рт.ст., вводят сухой н-гептан в количестве 400 мл, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком в течение 30 мин, нагревают реактор до 30°C, подают алюминийорганическое соединение: 0,016 г Al(i-Bu)₃ и заполняют этиленом до давления 0,2 ата. Интенсивно перемешивают в течение 6 мин, повышают давление этилена до 2 ата, нагревают реактор до 50°C и продолжают интенсивное перемешивание в течение 25 мин. Получают КМ, содержащий 18 мас. %. СВМПЭ и 82 мас. % наночастиц алюминия. Толщина полимерного покрытия на частицах алюминия составляет 13,6 нм. Молекулярная масса образовавшегося полимера составляет 1,5·10⁶. Теплопроводящие и электрические свойства полученного КМ приведены в таблице 1.

Пример 2 (наполнитель - наночастицы алюминия, вариант 1 материала)

В стеклянный реактор помещают 20 г нанодисперсного алюминия со средним размером частиц 80 нм, величиной оксидного покрытия 7 мас. % и с удельной поверхностью 17 м²/г, откачивают при температуре 100°C при остаточном давлении 10^-1 мм рт.ст. в течение 30 мин, охлаждают реактор до комнатной температуры, после чего вводят 0,0016 г VCl⁴ в 100 мл сухого н-гептана. Соотношение VCl₄ и наполнителя составляет 0,8·10^-4 г VCl₄ на 1 г нанодисперсного Al. Через 20 мин получают наночастицы алюминия, содержащие 2.44·10^-9 моль VCl₃ на 1 м² их поверхности, добавляют сухой н-гептан в количестве 300 мл, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком в течение 20 мин, нагревают реактор до 25°C. Затем подают 0,0032 г алюминийорганического соединения Al(i-Bu)₃ и заполняют этиленом до давления 0,4 ата. Интенсивно перемешивают в течение 5 мин, повышают давление этилена до 3 ата, нагревают реактор до 40°C и продолжают интенсивное перемешивание в течение 15 мин. Получают КМ, содержащий 10 мас. % СВМПЭ и 90 мас. % наполнителя. Толщина полимерного покрытия на частицах алюминия составляет 7,1 нм. Молекулярная масса образовавшегося полимера составляет 1,5·10⁶. Теплопроводящие и электрические свойства полученного КМ приведены в таблице 1.

Пример 3 (наполнитель - наночастицы алюминия, вариант 1 материала)

В стеклянный реактор помещают 30 г нанодисперсного алюминия со средним размером частиц 80 нм, величиной оксидного покрытия 7 мас. % и с удельной поверхностью 17 м²/г, откачивают при температуре 100°C при остаточном давлении 10^-1 мм рт.ст. в течение 30 мин, охлаждают реактор до комнатной температуры, после чего вводят 0,002 г TiCl₄ в 100 мл сухого н-гептана. Соотношение TiCl₄ и наполнителя составляет 0,66·10^-4 г TiCl₄ на 1 г нанодисперсного Al. Через 20 мин получают наночастицы алюминия, содержащие 2.07·10^-9 моль TiCl₄ на 1 м их поверхности, добавляют сухой н-гептан в количестве 300 мл, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком в течение 40 мин, нагревают реактор до 25°C. Затем подают 0,0032 г алюминийорганического соединения AlEt₂Cl и заполняют этиленом до давления 0,4 ата. Интенсивно перемешивают в течение 5 мин, повышают давление этилена до 3 ата, нагревают реактор до 40°C и продолжают интенсивное перемешивание в течение 25 минут. Получают КМ, содержащий 26 мас. % СВМПЭ и 74 мас. % наполнителя. Толщина полимерного покрытия на частицах Al составляет 16,1 нм. Молекулярная масса образовавшегося полимера составляет 1,2·10⁶. Теплопроводящие и электрические свойства полученного КМ приведены в таблице 1.

Примеры 4-14 (наполнитель - наночастицы алюминия, вариант 1 материала)

Образцы КМ, содержащего в качестве наполнителя наночастицы Al, получают аналогично примеру 1. Характеристики наночастиц Al, состав КМ и его теплопроводящие и электрические свойства приведены в таблице 1.

Пример 15 (наполнитель - смесь микро- и наночастиц Al, вариант 2 материала)

В металлический реактор помещают 100 г порошка дисперсного алюминия, содержащего 70 мас. % микрочастиц алюминия со средним размером 10 мкм, величиной оксидного покрытия 7 мас. % и 30 мас. % наночастиц алюминия со средним размером 80 нм, величиной оксидного покрытия 7 мас. %, откачивают при температуре 80°C при остаточном давлении 10^-1 мм рт.ст. в течение 30 мин, охлаждают реактор до комнатной температуры, после чего подают пары VCl₄ в количестве 0,008 г. Соотношение VCl₄ и наполнителя составляет 0,8·10^-4 г VCl₄ на 1 г порошка алюминия. Через 30 мин получают частицы алюминия, содержащие 1,15·10^-5 моль VCl₃ на 1 м² их поверхности, вводят сухой н-гептан в количестве 400 мл, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком в течение 40 мин, нагревают реактор до 30°C, подают алюминийорганическое соединение Al(i-Bu)₃ (0,016 г) и заполняют этиленом до давления 0,2 ата. Интенсивно перемешивают в течение 6 мин, повышают давление этилена до 2 ата, нагревают реактор до 40°C и продолжают интенсивное перемешивание в течение 10 минут. Получают композиционный материал, содержащий 4,6 мас. %. СВМПЭ и 96,4 мас. % наполнителя. Толщина полимерного покрытия на частицах Al составляет 5,95 нм. Молекулярная масса образовавшегося полимера составляет 1,5·10⁶. Теплопроводящие и электрические свойства полученного композиционного материала приведены в таблице 2.

Пример 16 (наполнитель - смесь микро- и наночастиц Al, вариант 2 материала)

В металлический реактор помещают 50 г порошка дисперсного алюминия, содержащего 30 мас. % микрочастиц алюминия со средним размером 10 мкм, величиной оксидного покрытия 7 мас. % и 70 мас. % наночастиц алюминия со средним размером 80 нм, величиной оксидного покрытия 7 мас. %, откачивают при температуре 100°C при остаточном давлении 10^-1 мм рт.ст. в течение 30 мин, охлаждают реактор до комнатной температуры, после чего подают пары VCl₄ в количестве 0,008 г. Соотношение VCl₄ и наполнителя составляет 0,8·10^-4 г VCl₄ на 1 г порошка Al. Через 20 мин получают частицы алюминия, содержащие 6,6·10^-6 моль VCl₃ на 1 м² их поверхности, вводят сухой н-гептан в количестве 400 мл, обрабатывают суспензию ультразвуком в течение 5 мин, нагревают реактор до 25°C, подают алюминийорганическое соединение Al(i-Bu)₃ (0,008 г) и заполняют этиленом до давления 0,2 ата. Интенсивно перемешивают в течение 6 мин, повышают давление этилена до 3 ата, нагревают реактор до 60°C и продолжают интенсивное перемешивание в течение 10 минут. Получают КМ, содержащий 11,1 мас. %. СВМПЭ и 88,9 мас. % наполнителя. Толщина полимерного покрытия на частицах Al составляет 7,0 нм. Молекулярная масса образовавшегося полимера составляет 1,5·10⁶. Теплопроводящие и электрические свойства полученного КМ приведены в таблице 2.

Примеры 17-32 (наполнитель - смесь микро- и наночастиц Al, вариант 2 материала)

Образцы КМ, содержащего в качестве наполнителя смесь микро- и наночастиц алюминия, получают аналогично примеру 15. Характеристики частиц наполнителя, состав композита и его теплопроводящие и электрические свойства приведены в таблице 2.

В таблице 3 приведены данные испытаний деформационно-прочностных свойств при сжатии предлагаемого КМ.

Как видно из приведенных результатов, заявляемый способ получения теплопроводящего электроизоляционного КМ позволяет использовать мелкодисперсные наполнители вплоть до наноразмерных частиц, так как обеспечивает равномерное распределение теплопроводящего наполнителя в полимерной матрице и гарантирует высокий уровень теплопроводящих, диэлектрических и физико-механических свойств получаемого композиционного материала. Максимальная теплопроводность: λ порядка 10-12 Вт/м·К, наблюдается для варианта 2 предлагаемого материала, в котором в качестве наполнителя используется смесь микро- и наночастиц алюминия с преимущественным содержанием микрочастиц алюминия. Все полученные образцы КМ (оба варианта материала) являются хорошими диэлектриками - электропроводность σ_dc превышает 10^-9-10^-7 Ом^-1·см^-1. Предлагаемый КМ обладает высокой прочностью при сжатии и проявляет способность к пластической деформации даже при сверхвысоких степенях наполнения (80-96 мас. %).

Изобретение относится к способу получения композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), обладающего теплопроводящими электроизоляционными свойствами, методом полимеризационного наполнения. Полученный композиционный материал может быть использован при изготовлении теплоотводящих элементов в электротехнических и электронных устройствах различного назначения. В качестве наполнителя в способе используют наночастицы алюминия с поверхностным оксидным слоем или смесь микро- и наночастиц алюминия с поверхностным оксидным слоем, которые вакуумируют при 80-100°C и охлаждают до комнатной температуры. После чего смесь обрабатывают тетрахлоридом ванадия или титана в количестве 10^-5-10^-4 г на 1 г наполнителя. Через 20-30 мин добавляют углеводородный растворитель, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком, повышают температуру до 25-30°C, вводят алюминийорганическое соединение, подают этилен до давления 0,2-0,4 ата и начинают полимеризацию при интенсивном перемешивании. Через 5-6 мин повышают давление этилена до 2-3 ата и температуру до 40-60°C и продолжают полимеризацию этилена на поверхности частиц наполнителя до образования на них покрытия из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) толщиной 6-150 нм. Способ по изобретению позволяет использовать мелкодисперсные наполнители - вплоть до наноразмерных частиц, обеспечивая равномерное распределение теплопроводящего наполнителя в полимерной матрице, с получением композиционного материала с высокими теплопроводящими и диэлектрическими свойствами при сохранении хороших физико-механических свойств. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 32 пр.

1. Способ получения теплопроводящего электроизоляционного композиционного материала полимеризацией этилена на поверхности частиц наполнителя в присутствии иммобилизованного на них катализатора, состоящего из соединения переходного металла и алюминийорганического соединения, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют наночастицы алюминия с поверхностным оксидным слоем или смесь микро- и наночастиц алюминия с поверхностным оксидным слоем, которые вакуумируют при 80-100°C, охлаждают до комнатной температуры, обрабатывают тетрахлоридом ванадия или титана в количестве 10^-5-10^-4 г на 1 г наполнителя из паровой фазы или в среде углеводородного растворителя, выдерживают 20-30 минут, добавляют углеводородный растворитель, обрабатывают полученную суспензию ультразвуком, повышают температуру до 25-30°C, вводят алюминийорганическое соединение, подают этилен до давления 0,2-0,4 ата, через 5-6 мин повышают давление этилена до 2-3 ата и температуру до 40-60°C и продолжают полимеризацию этилена на поверхности частиц наполнителя до образования на них покрытия из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) толщиной 6-150 нм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полимеризацию этилена на поверхности частиц наполнителя проводят при интенсивном перемешивании.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что СВМПЭ имеет молекулярную массу не менее 1·10⁶.

4. Теплопроводящий электроизоляционный композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащий частицы алюминия с поверхностным оксидным слоем, отличающийся тем, что он получен способом по пп. 1-3 и содержит наночастицы алюминия в количестве от 55 до 90 мас. %, при этом наночастицы алюминия имеют средний размер 20-180 нм с массовым содержанием поверхностного оксидного слоя от 5 до 50%.

5. Теплопроводящий электроизоляционный композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), содержащий частицы алюминия с поверхностным оксидным слоем, отличающийся тем, что он получен способом по пп. 1-3 и содержит смесь микрочастиц алюминия среднего размера 10-20 мкм и наночастиц алюминия среднего размера 20-100 нм при массовом соотношении от 80/20 до 20/80 в количестве 55-96 мас. %, при этом массовое содержание поверхностного оксидного слоя на микрочастицах алюминия не превышает 10%, а на наночастицах - не превышает 25%.