CN103917610A

CN103917610A - 具有高热辐射性能的散热涂料

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Publication number: CN103917610A
Application number: CN201280051406.1A
Authority: CN
Inventors: S·陈; N-C·李
Original assignee: Indium Corp
Current assignee: Indium Corp
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP6043798B2; WO2013059577A1; CN103917610B; US20130112109A1; JP2015502987A; US9120930B2; EP2768912A1

Abstract

高发射涂料包括具有不同官能团的有机材料、一种或多种无机材料和任选的其他涂料性能调节剂。涂料的红外吸收范围源自有机官能团如C-C、C-H、N-H、C-N、C-O和C-X基团和一种或多种无机材料。一种或多种无机材料也可以存在为微米或纳米尺寸微粒。

Description

具有高热辐射性能的散热涂料

技术领域

本发明涉及散热涂料。更具体地，本发明涉及具有高热发射率的涂料，其可被直接施加在基底表面上用于迅速移除热。

背景技术

由于对增加电子器件的功率和效率的需求，器件上的热密度迅速增加，导致损坏器件的可能性增加。因此，从功能器件上移除热已经在工业中变成关键性的。

例如，在太阳能工业中，光伏(PV)模块的运行温度是决定器件的转换效率的关键因素。对于25℃以上的每1℃，电力输出下降大约0.4%到0.5%。典型的屋顶PV阵列可以在大约55℃到75℃运行，这意味着电力输出可能在铭牌定额以下大约12%到25%。

在另一个实例中，发光二极管(LED)已经引起了作为传统灯泡的潜在替代物的增长的兴趣。然而，与PV模块相同，LED性能受升高的运行温度影响。例如，高接合点温度可引起效率损失，LED寿命缩短和颜色退化。这可能是有问题的，因为通常用于驱动LED的能量的大约75%到85%转化为热。在常规环境条件下的恒定运行下，LED中的接合点温度可能是60℃或者更高，这意味着LED的光输出量可能在器件的定额以下10%到50%。

三种常见机制（传导、对流和辐射）对于从器件移除热是有用的。在传导的情况中，通过固体中的电子或通过声子-声子相互作用，能量被原子晶格运送。导热膏和导热垫基于此机制运行。在对流的情况中，通常将热的器件与冷的液体或气体流接触。热从热的器件转移到冷的液体或气体，该冷的液体或气体被运走并且用更冷的液体或气体代替。这些系统经常需要专用的系统以控制冷却液体或气体的流动，并且潜在地需要额外的部件如散热片或风扇。这种系统的使用是笨拙的并且昂贵的。进一步地，当高温表面的面积大时，使用对流用于有效的冷却实际上是不可能的。最后，在热辐射的情况中，通过电磁波或光子照射散热，而不需要介质从表面转移热。热辐射机制通常用于高温应用，例如在750℃或以上。例如，高发射率涂层已经被报道用作加热炉内涂层。

发明内容

第一方面，示出了热发射涂料。在一些实施方式中，本发明的热发射涂料包括多种有机材料，其包括卤代烃或具有选自下列的官能团：胺、烷基、羟基、环氧基、羧酸和乙烯基；和在大约1到40μm的范围内热吸收的无机材料。

在一些实施方式中，选择多种有机材料和至少一种无机材料，使得热发射涂料跨越大约2到15μm的基本上全部范围吸收。在一些实施方式中，选择多种有机材料和至少一种无机材料，使得热发射涂料跨越大约2到40μm的基本上全部范围吸收。在一些实施方式中，选择多种有机材料和至少一种无机材料，使得热辐射涂料跨越大约1到50μm的大部分范围吸收。

在一些实施方式中，多种有机材料包括下列的一种或多种：丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油（acrylated epoxylated soybean oil）和脯氨酸。

在一些实施方式中，无机材料包括微粒的或纳米微粒的无机材料。

在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种：炭黑、石墨、木炭粉和活性炭。

在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种：金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种：釉面砖和锈铁（rusted iron）。在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种：氧化钒、石英、氧化铝和氧化锑。

在一些实施方式中，有机材料包括丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸。在一些相关的实施方式中，热发射涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油和按重量计10%的脯氨酸。在一些相关的实施方式中，无机材料包括氧化钒和活性炭。在一些进一步相关的实施方式中，涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油、按重量计10%的脯氨酸、按重量计30%的氧化钒和按重量计10%的活性炭。

在一些实施方式中，涂料具有大于或等于大约90%的发射率，例如大于或等于大约92%、大于或等于大约95%、大于或等于大约97%、或甚至大约100%。

在一些其他实施方式中，本发明的热发射涂料包括多种有机官能团，使得多种有机官能团跨越大约2到15μm的基本上全部范围热吸收；和在大约1到40μm的范围内热吸收的无机材料。

在一些相关的实施方式中，多种有机官能团和无机材料跨越大约2到40μm的基本上全部范围热吸收。在一些相关的实施方式中，多种有机官能团和无机材料跨越大约1到50μm的大部分范围热吸收。

在一些实施方式中，多种有机官能团包括下列的三个或更多：胺、烷基、羟基、环氧基、羧酸和乙烯基。

在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种：金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。

如本文所用，术语“大约”在数量术语中指的是加或减10%。例如，“大约3%”将包括2.7-3.3%和“大约10%”将包括9-11%。此外，在本文中与数量术语结合使用“大约”之处，应当理解除了加或减10%的值之外，数量术语的准确值也被预期和描述。例如，术语“大约3%”清楚地预期、描述并且准确地包括3%。

附图说明

图1示出了各种有机官能团的红外吸收的近似波长范围。

图2示出了各种无机材料的红外吸收的近似波长范围。

图3图解了由于包含微粒的无机材料涂料的表面积的增加。涂料涂层表面A不包括微粒物质；涂料涂层表面B包括。

具体实施方式

本发明的各种实施方式提供了热涂料，当其被涂覆在表面上时有利于从表面移除热，而不使用任何进一步的附属器件如散热片或风扇。原则上，热涂料利用热辐射的机制，其中通过电磁波或光子照射散热，而不需要介质从表面转移热。

本发明的热发射涂料不仅可容易地用于专用的小表面面积，而且可用于大表面面积应用，比如用于太阳能电池板背面散热和LED背面散热。

有时，本发明在此根据这些实例环境进行描述。提供根据这些环境的描述以允许本发明的各种特征和实施方式在示例性应用的背景下进行描绘。阅读此描述后，对本领域普通技术人员来说如何在不同的和可选的环境中实施本发明将变得明显。

在热力学中，在温度T的体辐射电磁能。在热力学平衡中的绝对黑体吸收撞击其的所有辐射能，并且根据温度T的辐射发射功率的唯一定律辐射能量，这对于所有绝对黑体是普遍的。热辐射的基尔霍夫定律是这种行为的数学描述。基尔霍夫定律的一个推论是对于在热力学平衡中任意的发射和吸收热辐射的体，发射率(体多么接近于绝对黑体的无量纲比)等于体的吸收率。因此，对于具有高发射率的材料，它们也必须具有高吸收率。

涂料中的热吸收率可能受材料组成的影响。例如，现有技术(上面提到的)的高温高发射率涂料包括在光谱的红外区域中吸收的无机材料。使用这些无机材料，因为预期的运行温度如此高以致在运行期间只有无机材料经受得起。本发明的涂料不同，因为它们的预期的运行温度低得多(例如，低于大约250℃)，这允许使用所选择的有机材料以增强热吸收。因此，本发明的涂料包括在电磁光谱的红外区域中显示吸收的所选择的有机材料。

如图1中所示，不同的有机官能团在红外光谱内的不同的波长范围处吸收。为了提高热吸收率，期望涂料包括具有覆盖红外光谱的大部分——如果不是所有——的吸收波长范围的材料。因此，在一些实施方式中，本发明的涂料包括一种或多种有机种类，使得多种官能团存在于涂料中。在这些实施方式中，选择一种或多种有机种类，以便存在于涂料中的官能团具有不同的红外吸收波长范围，因此提供了跨越红外范围中的各种波长吸收的涂料。

例如，一些实施方式包括有机胺基团(N-H，吸收=大约2.9-4.2μm；C-N，吸收=大约4.4–6.1μm)，例如具有以下结构的胺：

这些胺基团可以包括伯胺(即，R、R’和R”中的两个是氢)，例如甲胺、乙醇胺(2-胺基乙醇)或芳胺例如苯胺。

可选地或此外，这些胺基团可包括仲胺(即，R、R’和R”中的一个是氢)，例如二甲胺、甲基乙醇胺或芳香族化合物例如二苯胺。

可选地或此外，这些胺基团可包括叔胺(即，R、R’和R”中的所有三个都是烷基、芳基或二者)。示例性叔胺包括三甲基胺、三乙基胺或三苯基胺。其他示例性叔胺可以是环状胺，并且可以是烷基、芳基或二者。因为烷烃基团(C-C，吸收=大约6.0–6.9μm；C-H，吸收=大约6.8–7.9μm)在红外光谱的不同的区域中吸收，所以它们也可单独地或作为有机胺中的R、R’和R”烷基或芳基基团中的组分包含在涂料中。

其他可用于一些实施方式中的有机胺的来源包括聚胺单体，例如乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺(TETA)。如果环氧树脂也用于涂料中的组分，则这些胺化合物可用作硬化剂。当将环氧树脂和聚胺单体混合时，聚胺单体中的胺基团与环氧基基团反应以形成共价键。每个N-H基团可以与来自不同的预聚物分子的环氧基基团反应，以便最终涂料结构可被交联的程度所控制。

如上所述，一些实施方式包括烷基或芳基基团。优选的烷基或芳基基团包含1到24个碳，例如1到18个碳，并且可以是饱和脂肪族的或不饱和的。在某些实施方式中，不饱和烷基或芳基基团可以是乙烯基烃(C-H，吸收=大约10.1–14.9μm)，例如丙烯酸化合物或苯乙烯及其衍生物。乙烯基烃具有额外的益处，即对于调节涂料结构面漆（finish）是有用的。

一些实施方式可以可选地或额外地包含一种或多种含氧有机官能团(C-O，吸收=大约7.7–9.6μm；和C=O，大约4.4–6.1μm)，例如醇(羟基基团)、羧酸、醛、酯、醚和环氧化合物(包括环氧醚，例如，如在环氧树脂中发现的)。这些含氧有机官能团可以在环氧树脂中发现，例如由表氯醇和双酚-A之间的反应生产的那些，虽然后者可被相似的化学品替代，例如双酚-F，等等。

一些实施方式可以可选地或额外地包含卤代烃(C-X(X=F、Cl、Br、I或At)，13.2–20μm)。由于它们的宽范围的红外吸收(即，大约2.9–20μm)，卤代烃是特别有益的。此外，由于碳原子和卤素原子之间的高结合能，包括这些官能团的某些化学品也对涂料贡献期望的性能，例如抗UV和/或抗湿性、良好的机械强度和潜在地耐气候性。示例性卤代烃包括卤代聚合物例如聚氯乙烯(PVC)和聚四氟乙烯(PTFE，或特氟隆)。

虽然有机化合物可用于增强大部分红外范围中的吸收，但是该范围的其他部分(例如，在波长小于大约2.9μm，或大于大约20μm处)可得益于包括其他无机组分。此外，在被有机物覆盖的范围中，一些吸收峰可能比期望的更弱，或可能更强，但可能只覆盖比期望的更窄的范围。因此，在一些实施方式中，无机材料被添加到涂料中以补充存在于涂料中的有机种类的吸收范围之外的吸收，和/或在被存在于涂料中的有机种类覆盖的一些波长范围中增加吸收强度。图2列出了一些示例性无机材料，并且示出了不同的无机材料在红外光谱内的不同的波长范围处吸收。如果需要，图2中示出的任何示例性材料，和其他没有列出的，可单独地或组合地包含在涂料中。

此外，一些实施方式可以没有卤代烃，因为在一些情况下它们的存在可以引起环境忧虑。在这些实施方式中，在范围是13.2到20μm的范围之内累积地显示红外吸收的一种或多种无机化合物可以包含在涂料中。如图2中所示，例如炭与石英或氧化锑粉末的几种无机物组合覆盖可以另外地通过卤代烃显示的红外吸收范围的大部分或甚至延伸超过所述红外吸收范围。

利用无机材料的实施方式可包括单一的无机材料，或各种材料的组合，例如两种、三种、四种、五种或更多种。例如，为了在被有机官能团覆盖的范围内延伸红外吸收范围或增加吸收，釉面砖和锈铁可用于延伸或增加在从大约2到5.6μm的范围内的红外吸收(如图2中可见)。釉面砖通常包含五种氧化物，包括SiO₂、Al₂O₃、B₂O₃、CaO和Na₂O，石英作为主要结晶相。锈铁主要包括铁氧化物；包括水合氧化铁(III)Fe₂O₃·nH₂O和氧化铁(III)–氢氧化物FeO(OH)·Fe(OH)₃。

在其他实施方式中，所选择的无机材料可用于增加在从大约8到14μm的范围中的吸收。例如，炭黑、石墨、活性炭和炭粉可用于提高在有机物已经覆盖的范围内的吸收。

在其他实施方式中，所选择的无机材料可用于在大于大约20μm的波长处延伸红外吸收，例如在大约20和50μm之间、例如在大约20和39_μm之间。例如，所选择的材料，例如氧化钒、石英(即，二氧化硅)、矾土(即，氧化铝)和氧化锑在从大约13到39μm范围内显示红外吸收。根据它们各自的红外吸收范围也可使用其他无机材料，例如金属氧化物(例如，CuO、MnO₂、Co₂O₃、Fe₂O₃、Cr₂O₃、NiO、ZnO、TiO₂、Bi₂O₃等等)、金属硫化物、金属氮化物、金属磷化物等等。

因此，除了如以上描述的有机种类之外，一些实施方式可包括一种或多种无机材料。特别是，在一些实施方式中，无机材料选自氧化钒、石英(即，二氧化硅)、矾土(即，氧化铝)和氧化锑。在一些实施方式中，无机材料选自金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。

在一些实施方式中，无机材料作为微米微粒或纳米微粒或二者进行添加。这样做实现了增加涂料的表面积的额外目的。此效果在图3中图解。大表面积的涂料是优选的，因为表面积与涂料的辐射强度成正比。在这些实施方式中，无机微粒的尺寸可以在5nm到500微米的范围。

在一些实施方式中，以上的各种组合用于提供发射率≥90%，例如≥92%、≥95%、≥97%，或甚至大约100%的涂料，以通过辐射消散大量的热。因此，在这些实施方式中，涂料包括具有在大约1到50μm的范围内显示红外吸收的官能团的一种或多种有机种类。在一些实施方式中，涂料包括具有在大约2到30μm范围内，例如在大约2到20μm之间、例如在大约2到15μm之间显示红外吸收的官能团的一种或多种有机种类。在一些实施方式中，一种或多种有机种类包括两种、三种、四种、五种或更多种不同的在描述的波长范围中吸收的官能团。在一些实施方式中，一种或多种有机种类累积地显示红外吸收基本上跨越大约2到15μm的全部范围。在一些实施方式中，一种或多种有机种类累积地具备基本上跨越大约2到20μm的全部范围的红外吸收。在一些实施方式中，一种或多种有机种类积地显示基本上跨越大约2到30μm的全部范围的红外吸收。

此外，涂料可利用任选的性能调节剂。在一些实施方式中，任选的涂料性能调节剂包括流平剂、触变剂、着色剂、防裂剂、抗氧剂、紫外过滤剂（ultraviolet filtering agents）、溶剂和稀释剂。对于本领域技术人员而言此类任选的涂料性能调节剂是已知的。

实施例

实施例1

本发明的一种实例涂料通过混合按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油、按重量计10%的脯氨酸、按重量计30%的氧化钒和按重量计10%的活性炭进行制备。在搅拌下混合成分8h。

丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸都对涂料贡献在红外光谱中吸收的各种有机官能团。例如，丁二烯-苯乙烯包括烷基基团、芳香族基团和乙烯基基团(例如，C-C、C=C和C-H(烷基、芳香族的和乙烯基))；丙烯酸酯化环氧豆油包括含氧有机基团(例如，C-O和C=O)；以及脯氨酸包括有机胺基团(例如，C-N和N-H)。因此，涂料包括跨越从大约2到15μm的基本上全部范围吸收的有机官能团。

通过包含活性炭和氧化钒红外吸收被进一步提高，活性炭和氧化钒分别在大约8到14μm和13到39μm的范围内显示吸收。因此，涂料包括跨越从大约2到40μm的基本上全部范围吸收的有机官能团和无机材料。

将涂料施加于铜试样的表面以测试热发射率。通过在热板上的相似点放置两个铜试样进行对比实验，一个涂覆有涂料并且一个未涂覆。允许两个铜试样达到热平衡，并且热电偶用于检查各自的表面温度。实验重复三次，测量的温度在表1中示出，并且证明涂料降低铜试样的表面温度高达14.7℃。

表1.未涂覆涂料和涂覆涂料的铜试样的温度(℃)

实施例2

另一个示例性涂料通过混合0.5g炭黑纳米微粒(40nm)、0.075g环氧树脂509(来自Nanjing New Chemical Technology Co.Ltd.)、0.014gN3390固化剂(来自Bayer)和2.0g三丙二醇正丁基醚(TPnB)溶剂进行制备。完全混合后，涂覆铜试样，并且在180℃热处理以蒸发溶剂。

然后将涂覆的样品与如实施例1中所描述的未涂覆的参照铜试样进行对比，测量的温度在表2中示出，并且证明涂料降低表面温度多达11.1℃。

表2.未涂覆涂料和涂覆涂料的铜试样的温度(℃)

Claims

1.热发射涂料，包括：

多种有机材料，其包括卤代烃或具有选自下列的官能团：胺、烷基、羟基、环氧基、羧酸和乙烯基；和

无机材料，其在大约1到40μm的范围内热吸收。

2.权利要求1所述的热发射涂料，其中选择所述多种有机材料和至少一种无机材料，使得所述热发射涂料跨越大约2到15μm的基本上全部范围吸收。

3.权利要求1所述的热发射涂料，其中选择所述多种有机材料和至少一种无机材料，使得所述热发射涂料跨越大约2到40μm的基本上全部范围吸收。

4.权利要求1所述的热发射涂料，其中选择所述多种有机材料和至少一种无机材料，使得所述热发射涂料跨越大约1到50μm的范围的大部分吸收。

5.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述多种有机材料包括下列的一种或多种：丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸。

6.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括微米微粒的无机材料或纳米微粒的无机材料。

7.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种：炭黑、石墨、炭粉和活性炭。

8.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种：金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。

9.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种：釉面砖和锈铁。

10.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种：氧化钒、石英、氧化铝和氧化锑。

11.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述有机材料包括丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸。

12.权利要求11所述的热发射涂料，其中所述涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油和按重量计10%的脯氨酸。

13.权利要求11所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括氧化钒和活性炭。

14.权利要求13所述的热发射涂料，其中所述涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油、按重量计10%的脯氨酸、按重量计30%的氧化钒和按重量计10%的活性炭。

15.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述涂料具有大于或等于大约90%的发射率。

16.热发射涂料，其包括：

多种有机官能团，使得跨越大约2到15μm的基本上全部范围多种热吸收；和

和无机材料，其在大约1到40μm的范围内热吸收。

17.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述多种有机官能团和无机材料跨越大约2到40μm的基本上全部范围热吸收。

18.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述多种有机官能团和无机材料跨越大约1到50μm的范围的大部分热吸收。

19.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述多种有机官能团包括下列的三种或更多种：胺、烷基、羟基、环氧基、羧酸和乙烯基。

20.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种：金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。