CN103627234A - 新型纳米金刚石导热涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种新型纳米金刚石导热涂料及其制备方法。采用石墨烯和纳米金刚石改性制备而成，所述石墨烯和纳米金刚石的重量比为0.1-5:1，纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.1-3%。本发明的新型纳米金刚石导热涂料具有较好的导热性能，且抗紫外辐射，抗蚀性、耐碱性、耐水性和阻燃性好，与基体的结合度高，涂料成膜后不易破裂，防静电，且抗菌类侵蚀。

Description

新型纳米金刚石导热涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种新型纳米金刚石导热涂料及其制备方法。

背景技术

涂料，在中国传统名称为油漆。所谓涂料是涂覆在被保护或被装饰的物体表面，并能与被涂物形成牢固附着的连续薄膜，通常是以树脂、或油、或乳液为主，添加或不添加颜料、填料，添加相应助剂，用有机溶剂或水配制而成的粘稠液体。涂料是一种材料，这种材料可以用不同的施工工艺涂覆在物件表面，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜。这样形成的膜通称涂膜，又称漆膜或涂层。”涂料具有保护功能、装饰功能以及其他功能。

随着全球科学技术的发展和能源问题的日益突出，强化传热在能源的开发和节约中起着重大甚至是关键性的作用，并已成为现代传热学中一个十分引人注目的研究领域。目前，各行业对热交换系统的传热负荷和传热强度要求日益增大，热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻，对热交换系统的高效低阻紧凑等性能指标的要求也越来越高，尤其在能源、汽车、空调、农业、化工、采暖、航空航天、微电子、信息等领域，对强化传热、提高散热效率等技术提出了更高的要求。例如在微电子行业中，电子散热问题己成为制约微电子工业发展的瓶颈。而传统的冷却方式不能满足其散热要求，促进人们研究和发展新的散热方式。目前电子技术的发展呈现两大趋势 ：一是追求小型化和集成化，二是追求高频率和高运算速度，这样使得单位芯片的热流密度迅速升高。如计算机 CPU 芯片在运行过程中产生的热流密度已达到60-100W/cm²，半导体激光器中甚至达到103W/cm²数量级。而电子器件正常的工作温度范围为 -5-65℃，最大允许工作温度 100-120℃，过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力损伤。研究表明：电子元件的温度在正常工作温度水平上降低 1℃，其故障可减少 4％；若增加 10-20℃，则故障率提高100％。据统计，电子设备的失效率有55％是温度超过规定值引起的。由此可见，电子散热问题已成为制约电子工业发展的瓶颈，而高效的电子散热技术已成为一个研究热点。另外，在各种领域，如汽车发动机、空调、冰箱等金属表面温度的及时降低，能够延长设备的使用寿命，提高设备的工作效率。目前在相关领域的散热、降温还是一个亟需解决的问题，而目前的涂料还停留在保护的基本功能上。如何在确保涂料的基本保护和装饰功能的基础上快速地将设备及仪器表面的热量散去并降低表面的温度，从而达到进一步延长设备使用寿命、提高设备的工作效率是目前的重要课题。

一个申请号为200910009000.7 、申请日为2009-02-18，名为一种水性金属涂料及其制备方法的发明专利公开了一种涂料，该涂料的主要成分包括:30-60WT%的丙烯酸树脂、4-15WT%的涂料用氨基树脂、10-40WT%的颜料、3-10WT%的填料、0.5-5WT%的助溶剂、0.5-3WT%的助剂及20-50%WT的水。将按照配比称取的各原料依一定的加料顺序混合,再经过分散、研磨等工序,即可得到本发明的涂料。该涂料是以水为溶剂并加入少量助溶剂的环保涂料,主要优点在于生产工艺简单、成本低、流平性好、附着力高、光泽高、耐黄变、固含量高且粘度低、耐热性好,在180℃以下可长期使用。但是这种涂料不能够起到降温导热的作用，从而不能解决目前各领域中的设备及仪器表面温度无法快速降低的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前的涂料大部分不具有导热性能且涂料与基体的结合性能较差、使用寿命较低的问题，提供一种新型纳米金刚石导热涂料及其制备方法。通过纳米金刚石的改性，极大的提高了涂料的导热性，并且涂料成膜后与基体的结合效果较好，涂料成膜后的耐磨性和硬度得到了提高。

本发明的另一个目的是提供上述新型纳米金刚石导热涂料的制备方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型纳米金刚石导热涂料，采用石墨烯和纳米金刚石改性制备而成，所述石墨烯和纳米金刚石的重量比为0.1-5:1，纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.1-3%。

石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，这种稳定的晶格结构使石墨烯在保证强度的基础上具有非常好的柔韧性，使得成膜后的涂料在受到外力的作用下，不易发生破损及破裂，此外，这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀的导热性。本发明利用石墨烯的优点，提高了涂料成膜后的的平面强度、导热性和导电性，从而尽快的将热量传输并散发出去，达到散热将温度目的。石墨烯的优良性能，也能提高涂料在基体表面的附着力，增加粘结强度，不仅减少了对基体的前处理工作，而且提高了涂料成膜后的使用寿命。纳米金刚石不仅保留着金刚石的综合优异特性，而且还有对人体无害的良好的生物兼容性；对雷达波、红外紫外光有巨大的透射率和吸收率，优异的冷阴极场发射效应，表面有许多羧基、烃基、羰基等功能团，很容易同金属、橡胶、塑料聚合物、织物表面紧密结合。同时，通过在涂料中添加纳米金刚石使涂料的耐磨性和显微硬度得到了很大的提高，涂料的抗蚀性也得到了有效提高。石墨烯和纳米金刚石的添加量决定了涂料的成膜重量，当石墨烯和纳米金刚石的添加量小于0.1%时，效果不明显，当添加量大于5%时，对涂料的成膜负面影响较大，降低了涂料成膜后的强度。石墨烯与纳米金刚石的合适重量比，能够平衡涂料的成膜性、抗蚀性、强度及其他性能，不适合的重量比，会造成涂料的部分性能过高导致资源浪费。

作为优选，所述新型纳米金刚石导热涂料按重量份数计，还包括环氧树脂30-60份、聚氨酯20-40份和丙烯酸10-40份。环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸为石墨烯和纳米金刚石提供载体，并起到成膜作用。

作为优选，所述新型纳米金刚石导热涂料按重量份数计，还包括以下各组分：双酚A型环氧乙烯基酯树脂30-60份、玄武岩纤维1-10份、聚噻吩10-30份和环氧丙烯酸酯4-15份。

双酚A环氧乙烯基树脂还能够迅速固化，很快得到使用强度，得到具有高度耐腐蚀性聚合物；酯键边的甲基还可起保护作用，提高耐水解性；树脂含酯键量少，使其耐碱性能提高；较多的仲羟基可以改善对基体的湿润性与粘结性，提高涂料薄膜与基体的连接性能；同时，由于仅在分子两端交联，因此分子链在应力作用下可以伸长，以吸收外力或热冲击，避免薄膜出现开裂。玄武岩纤维具有高强度、永久阻燃性，不仅可以提高涂料成膜后的强度，而且可以提高涂料成膜后的阻燃性能。聚噻吩不仅电导率很大，从而尽快将涂料薄膜表面产生的静电释放，以免对基体产生不利影响，另一方面，聚噻吩的强度也非常大，辅助提高成膜后涂料的强度。环氧丙烯酸酯树脂具有环氧树脂的优良特性，但是固化性和成型性方面更为出色，固化过程比环氧树脂简单快速。它具有优异的耐水性、耐热水性、耐药物性、粘结性、韧性，从而更好的提高涂料成膜后的综合性能。此外，双酚A型环氧乙烯基酯树脂、聚噻吩和环氧丙烯酸酯与石墨烯、纳米金刚石以及玄武岩纤维的结合较好。

作为优选，所述纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.5-2%。

作为优选，所述纳米金刚石的粒径为20-200nm。纳米金刚石的粒径过大会影响涂料的成膜，粒径过小会导致成本增加。合适的粒径能够更好的与其他高聚物融合。

作为优选，所述新型纳米金刚石导热涂料还包括纳米二氧化钛1-5份。纳米二氧化钛是优质的消光剂，通过散射作用达到消光的效果，不会产生光污染，采用其形成的薄膜具有阻隔近红外/紫外辐射、低反射率、高透明度等特征。

作为优选，所述新型纳米金刚石导热涂料还包括溶菌酶0.1-3份。涂料成膜后不仅受到了物理的侵害，并且会受到菌类的破坏，溶菌酶的加入可以有效降低菌类对涂料成膜后的破坏。

作为优选，所述新型纳米金刚石导热涂料还包括分散剂0.1-1份、流平剂0.1-2份和消泡剂0.1-2份。

一种新型纳米金刚石导热涂料的制备方法，将各组分按照既定配比超声混合均匀。

本发明的有益效果为：具有较好的导热性能，且抗紫外辐射，抗蚀性、耐碱性、耐水性和阻燃性好，与基体的结合度高，涂料成膜后不易破裂，防静电，且抗菌类侵蚀。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

实施例1：

新型纳米金刚石导热涂料，粒径为20nm的纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.5%，石墨烯和纳米金刚石的重量比为5:1，二者共计占涂料总量的3%，其他各组分为涂料总量的97%，其他各组分按照重量分数计为环氧树脂60份、聚氨酯20份、丙烯酸20份、分散剂1份、流平剂0.1份和消泡剂1份。将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。

实施例2：

新型纳米金刚石导热涂料，粒径为50nm的纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为3%。石墨烯和纳米金刚石的重量比为0.1:1，二者共计涂料占总量的3.3%，其他各组分为涂料总量的96.7%，其他各组分按照重量分数计为环氧树脂30份、聚氨酯24份、丙烯酸40份、分散剂0.1份、流平剂1份和消泡剂2份。将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。

实施例3：

新型纳米金刚石导热涂料，粒径为200nm的纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.1%，石墨烯和纳米金刚石的重量比为1:1，二者共计占涂料总量的0.2%，其他各组分为涂料总量的99.8%，其他各组分按照重量分数计为环氧树脂40份、聚氨酯40份、丙烯酸10份、分散剂0.5份、流平剂2份和消泡剂0.1份。将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。

实施例4：

新型纳米金刚石导热涂料，粒径为200nm的纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.1%，石墨烯和纳米金刚石的重量比为5:1，二者共计占涂料总量的0.6%，其他各组分为涂料总量的99.4%，其他各组分按照重量分数计为双酚A型环氧乙烯基酯树脂30份、玄武岩纤维5份、聚噻吩30份、环氧丙烯酸酯4份、纳米二氧化钛3份、溶菌酶3份、分散剂0.1份、流平剂1份和消泡剂2份。将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。

实施例5：

新型纳米金刚石导热涂料，粒径为100nm的纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为3%，石墨烯和纳米金刚石的重量比为0.1:1，二者共计占涂料总量的3.3%，其他各组分为涂料总量的96.7%，其他各组分按照重量分数计为双酚A型环氧乙烯基酯树脂40份、玄武岩纤维10份、聚噻吩10份、环氧丙烯酸酯10份、纳米二氧化钛5份、溶菌酶0.1份、分散剂0.5份、流平剂2份和消泡剂0.1份。将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。

实施例6：

新型纳米金刚石导热涂料，粒径为20nm的纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.5%，石墨烯和纳米金刚石的重量比为1:1，二者共计占涂料总量的1%，其他各组分为涂料总量的99%，其他各组分按照重量分数计为双酚A型环氧乙烯基酯树脂60份、玄武岩纤维1份、聚噻吩20份、环氧丙烯酸酯15份、纳米二氧化钛1份、溶菌酶1份、分散剂1份、流平剂0.1份和消泡剂0.8份。将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。

各实施例的效果见下表：

通过上表可知，本发明的涂料各项性能指标优良，具有较好的导热性、附着力及抗菌性。

Claims (9)

1.一种新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，采用石墨烯和纳米金刚石改性制备而成，所述石墨烯和纳米金刚石的重量比为0.1-5:1，纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.1-3%。

2.根据权利要求1所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述新型纳米金刚石导热涂料按重量份数计，还包括环氧树脂30-60份、聚氨酯20-40份和丙烯酸10-40份。

3.根据权利要求1所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述新型纳米金刚石导热涂料按重量份数计，还包括以下各组分：双酚A型环氧乙烯基酯树脂30-60份、玄武岩纤维1-10份、聚噻吩10-30份和环氧丙烯酸酯4-15份。

4.根据权利要求1所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述纳米金刚石的加入量占新型纳米金刚石导热涂料的重量百分比为0.5-2%。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述纳米金刚石的粒径为20-200nm。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述新型纳米金刚石导热涂料还包括纳米二氧化钛1-5份。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述新型纳米金刚石导热涂料还包括溶菌酶0.1-3份。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的新型纳米金刚石导热涂料，其特征在于，所述新型纳米金刚石导热涂料还包括分散剂0.1-1份、流平剂0.1-2份和消泡剂0.1-2份。

9.一种根据据权利要求1或2或3或4所述的新型纳米金刚石导热涂料的制备方法，其特征在于，将各组分按照配比超声搅拌混合均匀。