CN104559424A - 高效石墨烯基散热涂料、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效石墨烯基散热涂料、其制备方法及应用。该涂料主要由石墨烯复合粉体、填料、高分子粘结剂、溶剂等组成；其中所述石墨烯复合粉体主要由薄层石墨烯与炭黑组成，其中炭黑主要分散于薄层石墨烯之间。进一步的，所述石墨烯复合粉体主要是由薄层石墨烯粉体与炭黑通过溶剂超声分散混合后，再经干燥形成的粉体。当将该涂料涂装在器件表面时，可以显著提高器件表面的散热效率，大幅增强散热器件的散热能力，且该涂料防腐、防水、防污，散热性能稳定并不受周围介质的影响，在电子散热领域有着广泛的应用前景和实用价值，同时该涂料制备工艺简单、成本低，适于规模化生产。

Description

高效石墨烯基散热涂料、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种高效石墨烯基散热涂料的制备及应用，属于新材料和微电子领域。

背景技术

随着电子器件聚集密度及功率强度加大，电子器件产生的大量热量需要及时散发给外环境，但是目前器件的散热性能已经不能满足要求，限制一些电器器件的使用效果与使用寿命。散热涂料是一种提高物体表面的散热效率，降低体系温度的特种涂料，能及时降低发热器件的温度，延长器件使用时间与稳定性，对稳定器件性能和实现器件小型化发展具有重要意义。

石墨烯是近年来新发现的一种只有一层碳原子层的纳米碳新材料，它具有低的密度、弱的化学活性、快的导热速度、高的比表面积和大的红外辐射率，在作为散热涂料方面具有重要的使用前景。然而石墨烯易堆垛的特性，导致了差的分散性和后期加工难度的增加，从而无法表现出石墨烯本征的优异特性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高效石墨烯基散热涂料及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的在于提供所述高效石墨烯基散热涂料的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种高效石墨烯基散热涂料，其包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯复合粉体1-15份、填料10-30份、高分子粘结剂30-50份和溶剂35-60份；其中所述石墨烯复合粉体主要由薄层石墨烯与炭黑组成，其中炭黑主要分散于薄层石墨烯之间。

进一步的，所述高效石墨烯基散热涂料的导热率为1W/mK-3W/mK

进一步的，所述石墨烯复合粉体主要是由薄层石墨烯粉体与炭黑通过溶剂超声分散混合后，其中溶剂包括水，N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、二丙酮醇、乙醇、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、乙二醇苯甲醚、苯甲醇、丁酮、乙酸乙酯，再经干燥形成的粉体，其中采用的干燥方式包括烘干、冷冻干燥、喷雾干燥、流化床干燥方式中的任一种。

优选的，所述薄层石墨烯的径向尺寸为1μm-100μm、厚度为1nm-10nm。

尤为优选的，所述薄层石墨烯的径向尺寸为30μm、厚度为5nm。

优选的，所述炭黑的粒径为5nm-100nm，尤其优选为30nm。

进一步的，所述高分子粘结剂可选自但不限于环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、氯醋树脂、聚酯树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂、醛酮或聚酮树脂、硝基纤维素树脂、乙基纤维素、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、松香、琥珀、虫胶、橡胶树脂之中的任一种或两种以上的组合。

进一步的，所述填料可选自但不限于炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、活性炭、金刚石、金属粉、三氧化二铝、氧化硅、碳化硅、氮化硼、氧化锌、氧化镁之中的任一种或两种以上的组合。

进一步的，所述溶剂可选自但不限于水，N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、二丙酮醇、乙醇、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、乙二醇苯甲醚、苯甲醇、丁酮、乙酸乙酯之中的任一种或两种以上的组合。

前述任一种高效石墨烯基散热涂料的制备方法，其包括：

1)将薄层石墨烯粉体与炭黑在溶剂中超声混匀，经过干燥得到石墨烯复合粉体；

2)将石墨烯复合粉体、填料经过高速分散混匀得到石墨烯基填料；

3)将石墨烯基填料、溶剂、高分子粘结剂再经过真空分散、研磨(特别是三辊研磨)获得所述散热涂料。

优选的，步骤1)中超声功率在1000W以上，超声时间在3小时以上。

优选的，步骤2)中采用的分散转速为高1000-10000转/分钟。

一种散热结构，主要由前述任一种高效石墨烯基散热涂料形成。

一种散热结构的制备方法，其包括：将前述任一种高效石墨烯基散热涂料至少以喷涂、浸涂、刮涂、旋涂中的任一种方式施加于基体表面，形成所述散热结构。

一种装置，其包含所述的散热结构。

例如，所述高效石墨烯基散热涂料可应用到笔记本、手机、CPU、LED灯具、电器、机柜、电线电缆、暖气片、风机风扇、热力管道、纺织、罐体、工业设备、建筑、水箱、交通工具等上。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

(1)通过将石墨烯与炭黑通过溶剂超声混合形成石墨烯层间带有炭黑阻隔的复合物，从而改善了石墨烯之间的堆垛，提高了石墨烯后期加工的分散性，从而更容易发挥石墨烯本征的特性，获得高效石墨烯基散热涂料，其制备工艺简单，成本低廉；

(2)利用本发明石墨烯基散热涂料形成的散热涂层方便喷涂，同等环境下可以降低温度5-15℃，同时还具有散热率高、性能稳定、厚度可控(20-50μm)，重量轻，抗腐蚀性能优良、成本低等特点，可大幅降低电子器件等发热物体表面温度，进而可以提高电子器件的稳定性和器件的使用寿命，并可促进器件的微型化发展。

附图说明

图1是本发明实施例1所获石墨烯基散热涂料的散热性能图。

具体实施方式

以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1 取平均径向尺寸约20μm、平均厚度约5nm的石墨烯粉体5份(如下若非特别说明，均为重量份)，平均粒径约30nm的炭黑10份，在二丙酮醇中超声1h，90℃烘干得到石墨烯炭黑复合粉体。然后与325目石墨5份、纳米二氧化硅10份在高速分散机中混合均匀，再与环氧树脂60份，乙酸乙酯10份，N，N-二甲基甲酰胺20份，在真空行星搅器中搅拌分散(3000rpm，1h)，后再三辊机研磨3小时，2000rpm，得到最终散热涂料，散热效果见图1。

当将该散热涂料涂覆于CPU散热器上时，可以看到，涂有石墨烯散热涂料的CPU工作温度(参阅图1中位置较下的曲线)明显低于没有涂石墨烯散热涂料的CPU工作温度(参阅图1中位置较上的曲线)。

实施例2 取平均径向尺寸约50μm、平均厚度约10nm的石墨烯粉体10份，平均粒径约30nm的炭黑5份在N，N-二甲基甲酰胺中超声1h，烘干得到石墨烯炭黑复合粉体。然后与325目石墨5份、活性炭10份在高速分散机中混合均匀，再与聚氨酯60份，丙酮10份，N，N-二甲基甲酰胺20份，真空行星搅拌(3000rpm，1h)，后再以三辊机研磨3小时，2000rpm，得到最终散热涂料。

对照例1 该对照例与实施例1基本相同，但以炭黑替换石墨烯炭黑复合粉体而形成散热涂料。当将该散热涂料涂覆于CPU上时，经测试发现，CPU工作温度未降低。

对照例2 该对照例与实施例2基本相同，但以石墨烯替换石墨烯炭黑复合粉体而形成散热涂料。当将该散热涂料涂覆于CPU散热器上时，发现成膜性能不好，光洁度不高，分散程度不高。经测试发现，CPU工作温度相对实施例2高5℃。

综上可以看到，当将本发明的高效石墨烯基散热浆料涂装在器件表面时，可以大幅提高器件表面的散热效率，增强散热器件的散热能力。同时该涂料防腐、防水、防污，散热性能稳定并不受周围介质的影响，在电子散热领域有着广泛的应用前景和实用价值。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种高效石墨烯基散热涂料，其特征在于包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯复合粉体1-15份、填料10-30份、高分子粘结剂30-50份和溶剂35-60份；其中所述石墨烯复合粉体主要由薄层石墨烯与炭黑组成，其中炭黑主要分散于薄层石墨烯之间。

2. 根据权利要求1所述的高效石墨烯基散热涂料，其特征在于所述石墨烯复合粉体主要是由薄层石墨烯粉体与炭黑通过溶剂超声分散混合后，再经干燥形成的粉体，其中溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、二丙酮醇、乙醇、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、乙二醇苯甲醚、苯甲醇、丁酮或乙酸乙酯，采用的干燥方式包括烘干、冷冻干燥、喷雾干燥、流化床干燥方式中的任一种。

3. 根据权利要求1或2所述的高效石墨烯基散热涂料，其特征在于所述薄层石墨烯的径向尺寸为1μm-100μm、厚度为1nm-10nm，所述炭黑的粒径为5nm-100nm。

4. 根据权利要求1所述的高效石墨烯基散热涂料，其特征在于所述高分子粘结剂包括环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、氯醋树脂、聚酯树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂、醛酮或聚酮树脂、硝基纤维素树脂、乙基纤维素、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、松香、琥珀、虫胶、橡胶树脂之中的任一种或两种以上的组合。

5. 根据权利要求1所述的高效石墨烯基散热涂料，其特征在于所述填料包括炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、活性炭、金刚石、金属粉、三氧化二铝、氧化硅、碳化硅、氮化硼、氧化锌、氧化镁之中的任一种或两种以上的组合。

6. 根据权利要求1所述的高效石墨烯基散热涂料，其特征在于所述溶剂包括水，N-甲基吡咯烷酮、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、二丙酮醇、乙醇、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、乙二醇苯甲醚、苯甲醇、丁酮、乙酸乙酯之中的任一种或两种以上的组合。

7. 如权利要求1-6中任一项所述的高效石墨烯基散热涂料的制备方法，其特征在于包括：

1）将薄层石墨烯粉体与炭黑在溶剂中超声混匀，经过干燥得到石墨烯复合粉体；

2）将石墨烯复合粉体、填料经过高速分散混匀得到石墨烯基填料；

3）将石墨烯基填料、溶剂、高分子粘结剂再经过真空分散、研磨获得所述散热涂料。

8. 一种散热结构，其特征在于它主要由权利要求1-6中任一项所述的高效石墨烯基散热涂料形成。

9. 一种散热结构的制备方法，其特征在于包括：将权利要求1-6中任一项所述的高效石墨烯基散热涂料至少以喷涂、浸涂、刮涂、旋涂中的任一种方式施加于基体表面，形成所述散热结构。

10. 一种装置，其特征在于包含权利要求8所述的散热结构。