CN104277241A - 热辐射材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热辐射材料，其中包含以下填料：二氧化钛，重量百分比为10～45%；二氧化锆，重量百分比为5～25%；氧化镁，重量百分比为2～30%；稀土金属氧化物，重量百分比为0.01～0.5%。其中该热辐射材料的热导率为0.34～1.5W/m·K，该热辐射材料在40℃，4～14μm的红外光谱区的红外线发射率大于等于88%。本发明的热辐射材料选择能激发不同波段红外线的二氧化钛粉末和二氧化锆粉末，且使用氧化镁填料提升高分子掺混物的热导率，使电子组件的热能能够很快加热热辐射材料，由此快速提升热辐射材料的温度，以增加其对外的热辐射效率，且具有良好的传导和辐射的散热效果。
Description
技术领域
本发明是关于一种热辐射材料，特别是关于兼具良好热导率及发射率的热辐射材料。
背景技术
对于电子零件、发光二极管(LED)灯具或其它发热组件而言，在某些应用场合中，因受限于周围的温度、环境、空间等因素，导致难以通过传导、对流等方式对外界散热，进而需考虑使用热辐射的方式，以大幅度地将热能向外界传导。
以LED或相关灯具为例，LED具有尺寸小、易设计与低耗能的优点。但LED缺点在于LED点亮时会产生高热，过高的温度将造成LED的特性衰退。因此如何降低LED灯温度，提升效率与寿命，已然成为相当重要的课题，另外，如果将LED应用于崁灯、球泡灯时，灯具的外壳将进一步限制热能向外传送，导致LED在大功率、高亮度、小尺寸的应用受到限制。
要使用热辐射方式将热能向外界传导可使用远红外线材料(Far-Infraredradiating material)。传统的远红外热辐射材料包含氧化铝、二氧化钛、二氧化硅等陶瓷材料。但是，传统辐射材料的热导率不高，因此即便有良好的辐射发射率，在传导和对流的热逸散方面，无法产生良好的协同作用，因而对于直接应用于高热组件，例如LED组件，仍有一定的限制，而无法达到最佳效果。
发明内容
物体在温度为绝对零度（-273℃）以上时，其中电子会产生振动。这种振动随温度的升高而增加，这种振动使许多粒子发生冲撞，冲撞的结果使电子得到能量变成了激发的状态，使外层电子提高到较高的能阶，以致使它脱离了原来的轨道。但是，电子在这种能阶上是不稳定的，几乎随时就有跳回到原来轨道上的趋势，即从不稳定的较高能阶回到原来的较低能阶，电子每往回跳一次就会产生一个量子能，释放出辐射能。对于具有高辐射能力的材料，辐射能以红外线的形式输出。因此，凡温度高于绝对零度的任何物体，都会有红外线辐射。随着辐射体材质分子结构和温度等诸条件的不同，其辐射波长也各不相同。在红外线辐射波段中，当分子中的原子或原子团从高能量的振动状态转变到低能量的振动状态时，会产生2.5～25μm的远红外辐射。如果辐射源是由分子的转动特性改变所引起的辐射，则发生大于25μm的远红外辐射。实验发现振动光谱的能量约为转动光谱能量的100倍。因此在远红外的波长选择中，2.5～25μm的波段为高载能波，具有较好的应用价值。
就传热(heat transfer)机制而言，基本上包含传导、对流及辐射三者。而在需要有效将热逸散的高热环境中，必须就将各种散热机制作整体考虑。例如在LED照明的应用方面，使用高热导材料增加热传导，或于外罩结构采用散热鳍片以增加热对流等。本发明考虑各传热机制间的相互影响，以期达到综合的最佳散热效果。
本发明即利用远红外线特性提供一种热辐射材料。相较于传统的热辐射材料，本发明的热辐射材料兼具良好的热导率及辐射效率，提供热逸散的协同作用，而特别适合于高热组件的应用。
本发明提供了一种热辐射材料，或称远红外线辐射材料，其中包含以下填料：二氧化钛，重量百分比为10～45%；二氧化锆，重量百分比为5～25%；氧化镁，重量百分比为2～30%；稀土金属氧化物，重量百分比为0.01～0.5%。其中该热辐射材料的热导率为0.34～1.5W/m·K，该热辐射材料的在40℃,4～14μm的红外光谱区的红外线发射率大于等于88%。
一个实施方式中，前述热辐射材料中的该各填料掺混于高分子聚合物中。该高分子聚合物的重量百分比约为10～75%。
一个实施方式中，该各填料的重量百分比总和在40～70%，且二氧化钛和二氧化锆的重量百分比总和在35%～60%。
一个实施方式中，该各填料的平均粒径在0.1μm至30μm之间。
一个实施方式中，该稀土金属氧化物包含氧化钇、氧化镧、氧化钕或其混合物。
此外，按不同应用所需，前述热辐射材料可另包含消泡剂、流平剂、偶联剂或其混合物。
具体实施方式
为使本发明的上述和其它技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，作详细说明如下。
本发明的热辐射材料使用P型与N型的陶瓷粉末，使该陶瓷粉末在受热时能激发出红外线。进一步而言，选择能激发不同波段红外线的陶瓷粉末，包括红外线中波段至长波段(约7～20μm)可被激发的二氧化钛粉末，二氧化钛粉末同时具有反射红外线的功能，短波段至中波段(7μm以下)可以被激发的二氧化锆粉末。另外，使用氧化镁填料为提升高分子掺混物的热传导率，使电子组件的热能能够很快加热热辐射材料，由此快速提升热辐射材料的温度，以增加其对外的热辐射效率。另外，使用稀土金属填料(例如氧化钇、氧化镧、氧化钕或其混合物)以降低陶瓷粉末激发能阶。
下列粉末分别以于表1所示的配方混合而得到本发明热辐射材料的填料组合，如实施例1～4，以及未添加氧化镁的比较例。其中数据为填料的重量份。二氧化钛粉(颗粒大小：0.1-0.3μm)；二氧化锆粉(颗粒大小约0.3μm)；氧化镁粉(颗粒大小：0.1-0.3μm)；氧化镧粉(颗粒大小：约0.3μm)；氧化钇粉(颗粒大小：约0.3μm)；氧化钕粉(颗粒大小：约0.3μm)。本发明的热辐射陶瓷填料的粒径可在0.1～30μm之间，或可为3μm、5μm、10μm或20μm。
50重量份如表1所得的各种热辐射材料填料组合与50重量份高密度聚乙烯(HDPE)共同调配，并于200℃的树脂温度下，于Haake制造的混练挤压机Haake-600中以60rpm的转速混炼10分钟而得丸粒。将各组成物的丸粒通过挤压机制成薄片，并通过热压机由薄片生成厚1.5mm的板。从如此所得的各板上切下尺寸为13mm×13mm的试验件，于40℃的温度利用红外线辐射光谱仪(德国Bruker Optik GmpH公司制造的VERTEX70FT-IR)测量其红外辐射。在4～14μm波长范围的各次辐射测量值与在40℃黑色物体的理想辐射之比，算出各辐射效率R。
实际应用上，掺混热辐射填料的高分子聚合物可包含热固型树脂及/或热塑型塑料。热固型树脂包含：亚克力树脂(Acrylic)、环氧树脂(Epoxy)、酚醛树脂(phenolic resins)、不饱和聚酯树脂(unsaturated polyester)、聚氨酯(Polyurethane)。热塑型树脂包含：聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚对苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate，PBT)、聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate，PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadienestyrene，ABS)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)、聚氯乙烯(PolyVinylChloride，PVC)、聚乙烯醇(Polyvinylalcohol，PVA)、聚醚醚酮(Polyetheretherketone，PEEK)、多聚甲醛(Polyoxymethylene，POM)、聚砜(Polysulfone，PSF)、聚醚砜(Polyethersulfone，PES)、聚苯乙烯(Polystyrene、PS)、聚氧化二甲苯(Polyphenylene oxide，PPO)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、聚酰胺(Polyamide，PA)、聚亚酰胺(Polyimide，PI)、聚醚酰亚胺(Polyetherimide，PEI)、聚醚酰亚胺与硅酮的嵌段共聚合物(Polyetherimide/silicone blockcopolymer)、苯氧基树脂(Phenoxy resin)、聚酯树脂(Polyester resin)、亚克力树脂(Acrylic resin)。
[表1]
| 比较例1 | 比较例2 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| TiO2 | 55 | 30 | 55 | 50 | 50 | 50 |
| ZrO2 | 45 | 20 | 40 | 40 | 35 | 25 |
| MgO | - | 50 | 5 | 10 | 15 | 25 |
| Y2O3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | - | 0.1 |
| La2O3 | 0.1 | 0.1 | - | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Nd2O3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | - | 0.1 | 0.1 |
| 热导率K(W/m·K) | 0.32 | 0.8 | 0.34 | 0.49 | 0.54 | 0.64 |
| 热阻R(K/W) | 0.487 | 0.194 | 0.432 | 0.315 | 0.281 | 0.244 |
| 发射率(%) | 87.1 | 85.5 | 88.5 | 90.3 | 92.1 | 93.8 |
由表1可知，在所有的实施例中，实施例4具有较高的热导率和发射率。比较例1未添加氧化镁，其热导率和发射率都较低。比较例2虽然大幅提高氧化镁的比例，但相对减少二氧化钛和二氧化锆的比例。因此虽然热导率可大幅提高，但发射率却有降低的现象。表2是大致上根据实施例4调整不同的热辐射材料填料和高分子聚合物的重量比例的实验结果。其中成分数据为重量份。
[表2]
| 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | |
| 聚合物 | 50 | 70 | 15 |
| TiO2 | 25 | 15 | 42.5 |
| ZrO2 | 12.5 | 7.5 | 21.3 |
| MgO | 12.5 | 7.5 | 21.3 |
| Y2O3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| La2O3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Nd2O3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 热导率K(W/m·K) | 0.64 | 0.34 | 1.2 |
| 热阻R(K/W) | 0.244 | 0.501 | 0.129 |
| 发射率(%) | 93.8 | 88.1 | 95.5 |
由表2的实施例5可知，当热辐射材料填料的比例降低时，即高分子聚合物比例增加时，热导率和发射率都会降低。相对地，由实施例6可知，当热辐射材料填料的比例增加时，即高分子聚合物比例减少时，热导率和发射率都会增加。但必须注意的是，当热辐射材料填料的比例增加时，将使得材料较脆，因此必须应用于较无需考虑脆性的场合。该各填料的重量百分比总和以在40-70%为佳(高分子聚合物约30～60%)，且此时二氧化钛和二氧化锆的重量百分比总和在35%～60%，如此可同时兼顾材料的机械特性、热导率和辐射发射率。
上述表1和表2的实施例仅为示例，在实际应用上，聚合物的重量百分比约在10～75%，或特别为约25%、35%、45%或55%；二氧化钛的重量百分比约在10～45%，或特别为约20%、30%或40%；二氧化锆的重量百分比约在5～25%，或特别为10%、15%或20%；氧化镁的重量百分比约为2～30%，或特别为约5%、10%或20%。
由表1和表2可知，本发明实施例的热辐射材料的辐射率R均可达88%或90%以上，甚至可达约95%。添加氧化镁的实施例将有效增加其热导率至0.34～1.5W/m·K，或较佳为0.5～1W/m·K。在表1中，特别是当氧化镁的重量百分比增加至7%以上时，热导率大于0.5W/m·K。本发明的热辐射材料的热导率也可以是0.6W/m·K、0.8W/m·K、1.0W/m·K或1.2W/m·K。实施例1～6相对的热阻约在0.1～0.6K/W，其亦可为0.2K/W、0.3K/W、0.4K/W或0.5K/W。
本发明的热辐射材料加入氧化镁后，可有效增加热导率，在适当的比例下甚至可提高红外线发射率（例如实施例1～4）。本发明的热辐射材料同时考虑辐射发射率和热导率的协同作用，且必要时一并考虑机械性质。
此外，按不同应用所需，热辐射材料还可以另包含本领域常用的消泡剂、流平剂、偶联剂或其混合物等。
以下将本发明实施例4的热辐射材料涂布于LED球炮灯具表面，并与未涂布者进行光通量和光效率的比较，并整理如表3所示。由表3可知，涂布热辐射材料者，可有效增加LED灯具的光通量及其光效率。
[表3]
| 光通量(lm) | 光效率(lm/W) | |
| 无涂布 | 695 | 67 |
| 有涂布 | 731 | 71 |
综上，本发明选择能激发不同波段红外线的二氧化钛粉末和二氧化锆粉末，且使用氧化镁填料为提升高分子掺混物的热导率，使电子组件的热能能够很快加热热辐射材料，由此快速提升热辐射材料的温度，以增加其对外的热辐射效率，且具有良好的传导和辐射的散热效果。
本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域普通技术人员仍可能基于本发明的启示及公开内容而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本发明申请的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种热辐射材料，包含以下填料：
二氧化钛，重量百分比为10～45%；
二氧化锆，重量百分比为5～25%；
氧化镁，重量百分比为2～30%；以及
稀土金属氧化物，重量百分比为0.01～0.5%；
其中该热辐射材料的热导率为0.34～1.5W/m·K；
其中该热辐射材料在40℃,4～14μm的红外光谱区的红外线发射率大于等于88%。
2.根据权利要求1的热辐射材料，其中该各填料掺混于高分子聚合物中。
3.根据权利要求2的热辐射材料，其中该高分子聚合物的重量百分比为10～75%。
4.根据权利要求1或2的热辐射材料，其中该各填料的重量百分比总和在40～70%，且二氧化钛和二氧化锆的重量百分比总和在35%～60%。
5.根据权利要求1的热辐射材料，其中该各填料的平均粒径在0.1μm至30μm之间。
6.根据权利要求1的热辐射材料，其中该稀土金属氧化物包含氧化钇、氧化镧、氧化钕或其混合物。
7.根据权利要求1的热辐射材料，其中该热辐射材料的热阻为0.1～0.6K/W。
8.根据权利要求1的热辐射材料，其中该热辐射材料的热导率为0.5～1W/m·K。
9.根据权利要求2的热辐射材料，其另包含消泡剂、流平剂、偶联剂或其混合物。
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