CN103205149A

CN103205149A - 散热材料、散热结构及其制备方法

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Publication number: CN103205149A
Application number: CN2012100139176A
Authority: CN
Inventors: 黄进瑞
Original assignee: REGAL PAPER TECH Co Ltd
Current assignee: REGAL PAPER TECH Co Ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-07-17

Abstract

本发明提供了一种散热材料、散热结构及其制备方法。散热材料包括：10-30重量份的无机散热纳米材料水性浆料、40-80重量份的水性高分子树脂、0.5-5重量份的助剂以及5-20重量份的稀释剂。无机散热纳米材料水性浆料包括：10-25重量份的无机散热纳米材料、0.5-20重量份的双功能大分子改性剂以及50-100重量份的溶剂。所述无机散热纳米材料是采用双功能大分子改性剂进行表面修饰，通过在无机散热纳米材料表面进行选择性的吸附、接枝杂化反应，在材料表面形成酯键、硅氧键、氢键等配位自组装行为以控制无机散热纳米材料的界面性能，提高无机散热纳米材料的间相容性和体是分散稳定性，以期获得更高的散热性能。

Description

散热材料、散热结构及其制备方法

技术领域

本发明是关于一种散热材料及其应用，特别是关于一种含有无机散热纳米材料浆料的散热材料及其制备方法。

背景技术

导热材料包含导热片(Thermal Pad)、导热膏(散热膏)(Thermal Grease)、导热胶带(Thermal Tape)等，是设计用来提供一个最好的条件进行热传导，通常放置在发热元件及散热装置之间，用来填补两者之间的空隙，确实的将热由发热元件完全传导至散热装置上。可应用在各种不同的产品上，例如：笔记型电脑、桌上型电脑、主机板、记忆模组DDR、主机板、硬碟、LED模组、PDP/LCD电视等。现在电子设备的功能越来越强大，然而体积确实越来越小，这就使得散热问题成为设计者不得不面对的突出问题，习知的散热设计不过是装几个风扇、开几个散热孔或者加一些散热片而已，但是对于今天的体积小、发热量大的用电器来说则是远远不够的，必须另辟蹊径。

目前，散热材料主要有三种，即：导热硅脂、散热石墨片、无机纳米粒子-高分子复合散热材料。导热硅脂是高分子材料，热阻抗大，无论水平还是垂直方向都不利于散热，散热石墨片具有独特的晶粒取向，片层状结构可很好地适应任何表面，沿水平和垂直方向均匀导热，热阻抗小、能够屏蔽热源，但是散热石墨片的加工性(高温、高压定型)和应用性(石墨片脆)比较差，不利于应用。

而无机纳米粒子-高分子复合散热材料主要由高分子材料和散热填料(主要由碳材料、金属或陶瓷等组成)，散热涂层材料的颗粒大小和体积分数都影响本体的热导率。目前市面上的散热涂层材料中的散热填料主要是石墨，碳纳米管等；然而上述散热填料与高分子材料的相容性较差，并且纳米散热材料易于聚集，这都严重影响了其导热效果以及稳定性。

发明内容

散热材料通常由高分子材料和散热填料(金属或陶瓷)组成，散热材料的颗粒大小和体积分数影响本体的热导率，本发明采用双功能大分子改性剂进行表面修饰，通过在无机散热纳米材料表面进行选择性的吸附、接枝杂化反应，在纳米散热材料的表面形成酯键、硅氧键、氢键等配位自组装行为以控制散热纳米材料的界面性能，有效控制散热材料的粒径大小、以期获得具有高散热性能的散热材料，本散热材料采用水作为纳米材料分散介质、水性高分子树脂作为基材是一种绿色环保材料。

本发明实施例的目的在于提供一种无机散热纳米材料水性浆料、含有上述无机散热纳米材料水性浆料的散热材料及上述材料的其制备方法，本发明采用如下技术方案：

一种无机散热纳米材料水性浆料，包括下述重量份的组分：

无机散热纳米材料 10-25重量份；

双功能大分子改性剂 0.5-20重量份；

溶剂 50-100重量份。

较佳地，所述无机散热纳米材料选自由中空碳、石墨烯、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化铍、二氧化钒、铜粉、铝粉、氧化锆、氧化铌所组成的群组之一或其组合，其粒径范围较佳为50-200内米之间，更佳为50-100内米之间。

较佳地，所述的双功能大分子改性剂为：聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有机硅烷。

本发明上述无机散热纳米材料水性浆料的制备是通过调整溶剂介质的pH值，聚合物分子链的长度以及官能团，使其在无机散热纳米材料表面进行选择性的吸附与接枝杂化反应，在无机散热纳米材料的表面形成硅氧键、酯键；氢键等分子识别作用，可提高无机散热纳米材料之间相容性和体系分散稳定性，获得分散稳定的无机散热纳米材料浆料。上述无机散热纳米材料浆料的制备方法如下：先称取10-25克重量份的无机散热纳米材料置于50-100克溶剂中，调节溶剂介质的pH值7-10，然后以2-4ml/分钟的速度滴加0.5-20克重量份的双功能大分子改性剂，在室温下搅拌或超音波搅拌10分钟-3小时至分散均匀；再在室温-60℃反应2-6h，然后超高压纳米均质机分散30-120分钟、超音波分散30-90分钟，即可得到分散均匀的无机散热纳米材料浆料。

本发明还提供了一种含有上述无机散热纳米材料水性浆料的新型散热材料，其包括下述重量份的组分：

其中，无机散热纳米材料水性浆料的固含量较佳为10-30％，进一步较佳为10-20％，最佳为15-20％。

所述水性树脂是选自由水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂、水性苯丙树脂、水性硅丙树脂、水性有机硅树脂、高温固化型水性有机硅树脂、水性丙烯酸改性聚氨酯树脂、水性聚氨酯改性丙烯酸树脂所组成的群组之一或其组合。

所述的助剂是选自由增稠剂、流平剂、消泡剂、防冻剂、成膜助剂、润湿剂所组成的群组之一或其组合。

其中，流平剂较佳为丙烯酸共聚物；消泡剂较佳为聚硅氧烷化合物或改性聚硅氧烷化合物；成膜助剂较佳为乙二醇单丁醚/二丙二醇丁醚混合物或醇酯化合物；增稠剂较佳为羟基丙烯酸分散液；所述的稀释剂为乙二醇丁醚、二缩二乙二醇丁醚等。

上述散热材料的制备方法，其制备步骤包括：先称取40-80重量份的树脂，加入20-40重量份的稀释剂，调节pH值7-8，然后依次加入10-30重量份的无机散热纳米材料浆料，在机械搅拌下以0.5-2.5ml/min滴加入上述溶液中，搅拌10-90min至匀相，而后加入0.5-5重量份的助剂获得混合液，搅拌均匀即得散热材料。

本发明更提供一种采用前述散热材料的散热结构，其包括：第一基材；第一散热层，形成于该第一基材的一面，该第一散热层是由根据权利要求6所述的散热材料所组成；以及一胶层，形成于该第一基材相对于该第一散热层的另一面。

较佳地，前述散热结构更包括贴附有底纸于该胶层上。

较佳地，前述散热结构更包括第二基材及第二散热层，该第二散热层是形成于该第二基材上，且该第二基材是透过该胶层黏合该第一基材。

本发明的优点在于，散热材料中添加的无机散热纳米材料是采用双功能大分子改性剂进行表面修饰的，通过调整双功能大分子改性剂的结构、亲疏水性、分子链段的长短，使其在无机散热纳米材料表面进行选择性的吸附与接枝杂化反应，在纳米散热材料的表面形成硅氧键、酯键与氢键等配位自组装行为控制无机散热纳米材料的界面性能，可提高无机散热纳米材料之间相容性和体系分散稳定性，以期获得具有独特的散热性能的无机散热纳米材料，除此之外，由于无机散热纳米材料在涂层材料在成膜过程中呈矩阵结构排列，在涂层上体现出纳米制品在机械性能、玻璃化转变温度、拉伸强度等的卓越性能，本发明散热涂层材料不仅能有效散热，还可以提高电子元器件的寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1样品1粒度分布图；

图2为本发明实施例1样品2粒度分布图；

图3为实施例1中样品1与样品2的新型散热材料分散稳定性谱图；

图4为散热结构(一)的剖视图；

图5为散热结构(二)的剖视图。

主要元件符号说明：

散热结构 100、200

第一散热层 1、1a、1b

第一基材 2、2a、2b

胶层 3

底纸 4

具体实施方式

实施例1：

本实施例中，所述无机散热纳米材料水性浆料，采用聚乙烯醇作为双功能大分子改性剂，在纳米碳管的纳米材料表面形成的酯键、氢键获得稳定分散的水性浆料；该水性浆料的固含量为25％，散热纳米碳的粒径大小均在50-100nm，其组分及重量份如下：

散热纳米材料：纳米碳管(CN) 15

去离子水 75

聚乙烯醇(M_W＝2000) 10

样品1：

先称取15g内米碳管放入75g的水中，调整pH为9，在搅拌条件下，以2ml/分钟的速度将10g的聚乙烯醇(W_W＝2000)滴加上述水溶液中，在室温下搅拌或超音波10分钟-12小时至分散均匀；然后在60℃条件下反应2h，超高压纳米均质机分散30min、超音波分散90分钟，得到分散均匀的无机散热纳米材料水性浆料；

样品2：

使用小分子改性剂OP-10替代样品1制备方法中的聚乙烯醇(M_W＝2000)，其它步骤与样品1的制备方法相同。

样品1与样品2粒度分布图分别见图1和图2，其比较详见图3，从图3中可见样品1的分散稳定性明显好于样品2，并且样品1的平均动态粒径为84nm，样品2的平均动态粒径为162nm；通过对数据比较，采用双功能大分子改性剂与一些具有散热性能的纳米材料进行配位自组装，通过在纳米材料表面形成的硅氧键、氢键控制无机散热纳米材料界面性能；这种方法制备的水性浆料分散性、稳定性好，散热性能显著增加。

实施例2：

所述无机散热纳米材料水性浆料，采用聚醚改性有机硅作为双功能大分子改性剂，在纳米碳管的纳米材料表面形成的酯键、氢键获得稳定分散的水性浆料；该水性浆料的固含量为25％，散热纳米碳的粒径大小均在50-100nm，其组分及重量份如下：

散热纳米材料：纳米碳管(CN) 15

去离子水 75

聚醚改性有机硅烷(M_W＝500) 10

具体制备步骤同实例1中样品1的制备方法。

实施例3：

所述无机散热纳米材料水性浆料，采用聚乙二醇作为双功能大分子改性剂，在纳米碳管的纳米材料表面形成的酯键、氢键获得稳定分散的水性浆料；该水性浆料的固含量为25％，散热纳米碳的粒径大小均在50-100nm，其组分及重量份如下：

散热纳米材料：纳米碳管(CN) 15

去离子水 75

聚乙二醇(M_W＝200) 10

具体制备步骤同实施例1中样品1的制备方法。

实施例4：

本发明所述的散热材料是将制备的分散均匀的无机散热纳米材料水性浆料、树脂、涂料助剂及稀释剂等搅拌均匀制得散热材料，其各组分重量份如下：

无机散热纳米材料水性浆料 10-30；

水性树脂：水性有机硅树脂 40-80；

稀释剂：水 5-20；

助剂：增稠剂(羟基丙烯酸水溶性分散液)、丙烯

酸共聚物流平剂、聚硅氧烷消泡剂和成膜助剂(乙 0.5-5

二醇单丁醚/二丙二醇丁醚混合物)

材料1

首先称取60g水性树脂，在搅拌条件下加入10g的稀释剂，调节pH值为7-8，然后依次将40g的实施例1中样品1的纳米碳管浆料，在机械搅拌下以1.5ml/min滴加入上述溶液中，搅拌均匀，而后加入10g的助剂，搅拌均匀，超音波、过滤即得新型散热材料1。

材料2

首先称取60g水性树脂，在搅拌条件下加入30g的稀释剂，调节pH值为7-8，然后依次将40g的实施例1中样品1的纳米碳管浆料在机械搅拌下以1.5ml/分钟的速度滴加入上述溶液中，搅拌均匀，而后加入10g的助剂，搅拌均匀，超音波、过滤即得新型散热材料3。

材料3

首先称取60g水性树脂，在搅拌情况下加入10g的稀释剂，调节pH值为7-8，然后将40g的实施例1中样品1的纳米碳管浆料和10克纳米铝粉水性浆料在机械搅拌下以1.5ml/min滴入上述溶液中，搅拌均匀，而后加入10g的助剂，搅拌均匀，超音波、过滤即得新型散热材料3。

材料4

首先称取60g水性树脂，在搅拌情况下加入10g的稀释剂，调节pH值为7-8，然后将40g的实施例1中样品2的纳米碳管浆料和10克纳米碳化硅水性浆料在机械搅拌下以1.5ml/min滴入上述溶液中，搅拌均匀，而后加入10g的助剂，搅拌均匀，超音波、过滤即得新型散热材料2。

不同散热材料制备的材料1、材料2、材料3与材料4的散热性能比较详见表一。

从表一中可见，由采用聚乙烯醇对CN的表面进行改性的样品1制备新型散热(材料1)的散热性能优于采用OP-10改性的CN，制备的散热材料(材料2)，例如：加热90min时，材料1与材料2的热源温度相差1.5℃左右，说明双功能大分子改性剂对CN的改性效果好；材料1与材料3、材料4的不同之处在于，材料3添加了改性的纳米铝粉水性浆料，材料4中添加了改性的纳米碳化硅粉水性浆料，加热90min时，材料3、材料4与热源相比温差达到9.4℃与8.8℃，说明通过双功能大分子改性的无机散热材料，制备的散热具有良好的散热性能。

实施例5：

使用实例2制备的无机散热纳米材料水性浆料替代实施例1中样品1的水性浆料，其它步骤与实例4中材料1的制备方法相同，制得具有良好的散热能力散热材料。

实施例6：

使用实例3制备的无机散热纳米材料水性浆料替代实施例1中样品1的水性浆料，其它步骤与实例4中材料1的制备方法相同，制得具有良好的散热能力散热材料。

表一、实施例2中材料1、材料2、材料3、材料4的散热性能比较

实施例7：散热结构(一)

利用前述散热材料，可制成不同的散热结构。如第4图所示，本实施例揭露一种散热结构100，其包括：第一散热层1、第一基材2、胶层3及底纸4，其中第一散热层1形成于第一基材2的一面，胶层3形成于第一基材2相对于第一散热层1的另一面。第一散热层1是由上述的散热材料所组成，其所包括的重量份及组分如前所述，在此不再重复说明。本实施例所述的散热结构100在实际应用上可以是一种散热胶带，或其他用于导热(散热)的具体结构。

实施例8：散热结构(二)

本实施例中，另揭露一种类似夹心式且具有两层散热层的散热结构。如第5图所示，散热结构200包括：第一散热层1a、第二散热层1b、第一基材2a、第二基材2b及一胶层3，其中第一散热层1a形成于第一基材2a的一面，第二散热层1b是形成于第二基材2b上，且第二基材2b是透过胶层3黏合第一基材2a。第一散热层1a、第二散热层1b是由上述的散热材料所组成，其所包括的重量份及组分如前所述，在此不再重复说明。本实施例所述的散热结构200在实际应用上可以是一种散热片，或其他用于导热(散热)的具体结构。

由以上实施例可知，本发明所提供的散热材料、散热结构及其制备方法确具产业上的利用价值，惟以上的叙述仅为本发明的较佳实施例说明，凡精于此项技艺者当可依据上述的说明而作其它种种之改良，惟这些改变仍属于本发明的精神及以下所界定的专利范围中。

Claims

1.一种无机散热纳米材料水性浆料，其包括下述重量份的组分：

10-25重量份的无机散热纳米材料；

0.5-20重量份的双功能大分子改性剂；以及

50-100重量份的溶剂。

2.根据权利要求1所述的无机散热纳米材料水性浆料，其中该无机散热纳米材料是选自由中空碳、石墨烯、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化铍、二氧化钒、铜粉、铝粉、氧化锆、氧化铌中所组成的群组之一或其组合，其粒径范围较佳为50-200纳米之间。

3.根据权利要求1所述的无机散热纳米材料水性浆料，其中该无机散热纳米材料的粒径范围更佳为50-100纳米之间。

4.根据权利要求1所述的无机散热纳米材料水性浆料，其中该双功能大分子改性剂是选自由聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有机硅烷类聚合物所组成的群组之一或其组合，其平均分子量较佳为1000-100000。

5.根据权利要求4所述的无机散热纳米材料水性浆料，其中该双功能大分子改性剂的平均分子量更佳为10000-50000。

6.一种散热材料，其包括下述重量份的组分：

10-30重量份的如权利要求1所述的无机散热纳米材料水性浆料；

40-80重量份的水性高分子树脂；

0.5-5重量份的助剂；以及

5-20重量份的稀释剂。

7.根据权利要求6所述的散热材料，其中该无机散热纳米材料是选自由中空碳、石墨烯、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化铍、二氧化钒、铜粉、铝粉、氧化锆、氧化铌中所组成的群组之一或其组合，其粒径范围较佳为50-200纳米的间。

8.根据权利要求6所述的散热材料，其中该无机散热纳米材料的粒径范围更佳为50-100纳米之间。

9.根据权利要求6所述的散热材料，其中该双功能大分子改性剂是选自由聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有机硅烷类聚合物所组成的群组之一或其组合，其平均分子量较佳为1000-100000。

10.根据权利要求9所述的散热材料，其中该双功能大分子改性剂的平均分子量更佳为10000-50000。

11.根据权利要求6所述的散热材料，其中该无机散热纳米材料浆料的固含量较佳为10-40％。

12.根据权利要求6所述的散热材料，其中该无机散热纳米材料浆料的固含量进一步较佳为10-30％。

13.根据权利要求6所述的散热材料，其中该无机散热纳米材料浆料的固含量最佳为20-30％。

14.根据权利要求6所述的散热材料，其中该树脂是选自由丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、苯丙树脂、硅丙树脂、有机硅树脂、高温固化型有机硅树脂、丙烯酸改性聚氨酯树脂、聚氨酯改性丙烯酸树脂所组成的群组之一或其组合。

15.根据权利要求6所述的散热材料，其中该助剂是选自由增稠剂、流平剂、消泡剂、防冻剂、成膜助剂、润湿剂所组成的群组之一或其组合。

16.根据权利要求15所述的散热材料，其中该流平剂较佳为丙烯酸共聚物；该消泡剂较佳为聚硅氧烷化合物或改性聚硅氧烷化合物；该成膜助剂较佳为乙二醇单丁醚/二丙二醇丁醚混合物或醇酯化合物；该增稠剂较佳为羟基丙烯酸分散液；该稀释剂较佳为乙二醇丁醚或二缩二乙二醇丁醚。

17.一种如权利要求1所述的无机散热纳米材料水性浆料的制备方法，其步骤包括：先称取10-25克重量份的无机散热纳米材料置于50-100克的溶剂介质中，调节溶剂介质的pH值7-10，以2-4ml/分钟的速度滴加0.5-20克重量份的双功能大分子改性剂，在室温下搅拌或超音波搅拌10分钟-3小时至分散均匀；再于室温-60℃反应2-6h，然后超高压纳米均质机分散30-120分钟、超音波分散30-90分钟，即可得到分散均匀的该无机散热纳米材料浆料。

18.一种如权利要求6所述的散热材料的制备方法，其制备步骤为：先称取40-80重量份的树脂，加入20-40重量份的稀释剂，调节pH值7-8，然后依次加入10-30重量份的无机散热纳米材料浆料，在机械搅拌下以0.5-2.5ml/min滴加入上述溶液中，搅拌10-90min至匀相，而后加入0.5-5重量份的助剂获得混合液，搅拌均匀即得该散热材料。

19.一种散热结构，其包括：

第一基材；

第一散热层，形成于该第一基材的一面，该第一散热层是由如权利要求6所述的散热材料所组成；以及

胶层，形成于该第一基材相对于该第一散热层的另一面。

20.根据权利要求19根据权利要求19所述的散热结构，更包括贴附有底纸于该胶层上。

21.根据权利要求19所述的散热结构，更包括第二基材及第二散热层，该第二散热层是形成于该第二基材上，且该第二基材是透过该胶层黏合该第一基材。

22.根据权利要求19所述的散热结构，其中该无机散热纳米材料是选自由中空碳、石墨烯、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氧化铍、二氧化钒、铜粉、铝粉、氧化锆、氧化铌中所组成的群组之一或其组合，其粒径范围较佳为50-200纳米之间。

23.根据权利要求19所述的散热结构，其中该无机散热纳米材料的粒径范围更佳为50-100纳米之间。

24.根据权利要求19所述的散热结构，其中该双功能大分子改性剂是选自由聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有机硅烷类聚合物所组成的群组之一或其组合，其平均分子量较佳为1000-100000。

25.根据权利要求24所述的散热结构，其中该双功能大分子改性剂的平均分子量更佳为10000-50000。

26.根据权利要求19所述的散热结构，其中该无机散热纳米材料浆料的固含量较佳为10-40％。

27.根据权利要求19所述的散热结构，其中该无机散热纳米材料浆料的固含量进一步较佳为10-30％。

28.根据权利要求19所述的散热结构，其中该无机散热纳米材料浆料的固含量最佳为20-30％。