CN104693968A - 一种高导热散热涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型高导热散热水性涂料的制造方法，包括水性树脂、填料以及功能添加剂，水性树脂包含水性环氧树脂，水性聚乙烯醇树脂、水性聚氨酯树脂或水性酚氧树脂。填料由石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯、碳纳米笼的其中一种或多种组成。以高热导率和辐射率的碳材料作为填料的散热涂料可涂于电子元器件表面，加速散发电子元器件产生的热量，避免电子元器件因散热不充分而导致的性能降低、不稳定及使用寿命缩短等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高导热散热涂料，尤其涉及一种水性树脂导热散热涂料制备方法及其应用，属于新型涂料技术领域。
背景技术
电子元件在工作时会产生较多热量，为了尽快散热，通常要加装金属散热片，因为金属具有较高的导热系数，常用材料包括铜、铝或铝的合金。但是，金属表面的热辐射系数很低，在没有对流传热的条件下，汇集到金属表面的热量很难散发出去。通过涂层技术改善金属表面的热辐射效率，是提高金属材料散热性能的重要途径。在电子工业迅速发展的今天，散热涂料被广泛关注。有效的散热设计和可靠的系统热特性的LED是发光二极管的热耗散改善的重要方案。传统管芯的功率比较小，需要散热的量小，在散热上没有严重问题，而大功率的LED不同，它的芯片功率密度非常大。目前，由于半导体制造技术的原因，有80％以上的输入功率转化为了热能，只有不到20％转化成了光能。芯片的热量如果只是简单的按比例将封装尺寸放大，是无法有效散发出去，且极有可能会导致焊锡融化，造成芯片失效，而加快荧光粉与芯片老化是必然会发生的情况，LED的色度在温度上升时也会变差。对LED来说高效散热具有非常重大意义。
碳材料是散热涂料最理想的功能填料。理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管的室温导热系数高达6600W/m·K，多壁碳纳米管的室温导热系数达3000W/m·K，碳纳米管是目前世界上已知的最好的导热材料之一。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。碳纳米管是一维纳米材料，比表面积大，被誉为世界上最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045％，吸收率可以达到99.5％以上，辐射系数接近1。
在涂料制备过程中，使用非水性树脂需要使用大量有机溶剂，对环境污染造成危害，并同时在涂料制备完成后，涂在金属表面形成涂层加速导热的过程中，一些有毒有害的残留有机物可能会受热散发到空气中，对环境和人体健康产生危害。
而采用水性树脂制备的涂料，虽然解决了环境污染的问题，但是散热介质在水性树脂中较难取得良好的分散稳定性，在使用过程中导致涂层不均匀。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种环保型高导热散热涂料，解决电子原件的散热问题，水性涂料分散性稳定性并的问题，并同时安全环保。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种环保型高导热散热涂层的制备方法，该方法中高导热散热涂层是以碳材料为主体材料，加入水溶性树脂和添加剂，得到碳材料为基础的高导热散热涂料溶液，将该涂料溶液涂在电子元件表面形成涂层，实现高效散热。
本发明采用了水性树脂作为成膜物质，避免了制备过程中有机溶剂的使用，减少了对环境的污染。同时在涂料涂覆在电子原件表层，形成涂层后，也避免了使用过程中残留有机溶剂的挥发，更为安全。
而碳材料在水性体系中，分散稳定性差，不利于涂层成膜，本申请使用了改性的碳材料，用亲水基团羧酸基、磺酸基、硫酸基、磷酸基、氨基、羟基或季铵基对石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯和碳纳米笼进行了亲水改性，使其在水性体系里分散性得到提高，利于涂料的制备，改善了涂料在电子元件表面的成膜性，使其能高效散热。
本发明为一种高导热散热涂料，其特征在于，包括水性树脂、填料、功能添加剂，所述水性树脂为水性环氧树脂，水性聚乙烯醇树脂、水性聚氨酯树脂或水性酚氧树脂，所述填料选自石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯和碳纳米笼或其相应改性材料的一种或多种，所述功能添加剂选自着色剂，分散剂，消泡剂、固化剂以及附着力促进剂中的一种或多种。
进一步地，各组分的质量份数组成为：水性树脂40-90份、填料5-20份、功能添加剂30-45份、水50-90份。
进一步地，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管，双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
进一步地，所述石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯和碳纳米笼改性材料为羧酸基、磺酸基、硫酸基、磷酸基、氨基、羟基和季铵基中的亲水基团功能化修饰后的碳材料。
进一步地，所述氧化石墨由Brodie法，Staudenmaier法或Hummers法制备。
进一步地，所述着色剂选自柠檬黄、苋菜红、靛蓝、胭脂红、亮黑、日落黄、诱惑红、红2G、偶氮玉红、绿S、亮蓝、专利蓝V、赤藓红、酸性橙Ⅰ、酸性橙Ⅱ、酸性黄36、酸性红26和酸性红52中的一种或多种。
进一步地，当所述水性树脂为水性聚氨酯时，所用固化剂为异氰酸酯-多元醇加成物、异氰酸酯、HDI缩二脲或HDI三聚体中。
进一步地，当所述水性树指为水性环氧树脂、聚乙烯醇树脂和水性酚氧树脂时，所用固化剂为乙二胺、间苯二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或二乙氨基丙胺。
进一步地，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷，所述附着力促进剂为氨丙基三甲基氧基硅烷。进一步地，所述方法包括如下步骤：
a)将水性树脂、填料、水混合加入搅拌机，控制转速500-2000rpm，搅拌时间0.5-4h；
b)依次向搅拌机中加入分散剂、消泡剂、固化剂以及附着力促进剂，控制转速
500-2000rpm，搅拌时间0.5-4h；
c)向搅拌机中加入着色剂，控制转速500-2000rpm，混合混匀后即得碳材料导热散热涂料。
本发明的有益效果在于：
①本发明利用高热导率和辐射率的碳材料作为主要散热介质和传热提供通道，将其均匀地分散在水性树脂中制备成涂料，热量传导到涂料上，涂料再把热量散发到空间中，以提升散热效果，加速散发电子元器件产生的热量，避免电子元器件因散热不充分而导致的性能降低、不稳定及使用寿命缩短等问题。
②本发明工艺简单、易于推广，生产成本低廉，低温下即可固化，具有高效、方便、绿色环境友好等特点。
以下将结合具体实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
具体实施方式
实施例1
水性环氧树脂45份、羟基化石墨烯10份、水90份、亮蓝10份、聚二甲基硅氧烷5份、乙二胺5份、氨丙基三甲基氧基硅烷5份。
(1)将45份水性环氧树脂、10份羟基化石墨烯、90份水混合加入搅拌机，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(2)依次向搅拌机中加入5份聚二甲基硅氧烷、5份乙二胺以及5份氨丙基三甲基氧基硅烷，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(3)向搅拌机中加入10份亮蓝，控制转速1000rpm，混合混匀后即得亮蓝羟基化石墨烯散热涂料。
将所得散热涂料喷涂于钢板上，低温固化后对其性能进行检测。将两块不锈钢钢板(A板表面未涂散热涂料，B板表面涂散热涂料)放置于加热板上，依次调整温度50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃，每次调温后，平衡60分钟再继续加热至下一温度，利用测温仪记录温度，结果表明涂有散热涂料的钢板温度均低于未涂散热涂料的钢板，说明本实施例的羟基化石墨烯散热涂料具有较好的散热效果。室温25℃。
表1 平衡60分钟后A板和B板的温度
实施例2
水性聚氨酯60份、氨基碳纳米管20份、水80份、偶氮玉红10份、聚二甲基硅氧烷5份、HDI缩二脲5份、氨丙基三甲基氧基硅烷5份。
(1)将60份水性聚氨酯、20份氨基碳纳米管、80份水混合加入搅拌机，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(2)依次向搅拌机中加入5份聚二甲基硅氧烷、5份HDI缩二脲以及5份氨丙基三甲基氧基硅烷，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(3)向搅拌机中加入10份偶氮玉红，控制转速1000rpm，混合混匀后即得红色氨基碳纳米管散热涂料。
将所得散热涂料喷涂于钢板上，低温固化后对其性能进行检测。将两块不锈钢钢板(A板表面未涂散热涂料，B板表面涂散热涂料)放置于加热板上，依次调整温度50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃，每次调温后，平衡60分钟再继续加热至下一温度,利用测温仪记录温度，结果表明涂有散热涂料的钢板温度均低于未涂散热涂料的钢板，说明本实施例的氨基碳纳米管散热涂料具有较好的散热效果。室温25℃
表2 平衡60分钟后A板和B板的温度
实施例3
水性聚乙烯醇树脂80份、氧化石墨10份、水70份、亮黑10份、聚二甲基硅氧烷5份、己二胺5份、氨丙基三甲基氧基硅烷5份。
(1)将80份水性聚乙烯醇、10份氧化石墨、70份水混合加入搅拌机，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(2)依次向搅拌机中加入5份聚二甲基硅氧烷、5份己二胺以及5份氨丙基三甲基氧基硅烷，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(3)向搅拌机中加入10份亮黑，控制转速1000rpm，混合混匀后即得黑色氧化石墨散热涂料。
将所得散热涂料喷涂于钢板上，低温固化后对其性能进行检测。将两块不锈钢钢板(A板表面未涂散热涂料，B板表面涂散热涂料)放置于加热板上，依次调整温度50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃，每次调温后，平衡60分钟再继续加热至下一温度,利用测温仪记录温度，结果表明涂有散热涂料的钢板温度均低于未涂散热涂料的钢板，说明本实施例的氧化石墨散热涂料具有较好的散热效果。室温25℃。
表3 平衡60分钟后A板和B板的温度
实施例4
水性酚氧树脂45份、氨基化富勒烯10份、水80份、日落黄10份、聚二甲基硅氧烷5份、乙二胺5份、氨丙基三甲基氧基硅烷5份。
(1)将45份水性酚氧树脂、10份氨基化富勒烯、80份水混合加入搅拌机，控制转速2000rpm，搅拌时间1h；
(2)依次向搅拌机中加入5份聚二甲基硅氧烷、5份乙二胺、5份氨丙基三甲基氧基硅烷，控制转速2000rpm，搅拌时间1h；
(3)向搅拌机中加入10份日落黄，控制转速1000rpm，混合混匀后即得黄色富勒烯散热涂料。
将所得散热涂料喷涂于钢板上，低温固化后对其性能进行检测。将两块不锈钢钢板(A板表面未涂散热涂料，B板表面涂散热涂料)放置于加热板上，依次调整温度50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃，每次调温后，平衡60分钟再继续加热至下一温度,利用测温仪记录温度，结果表明涂有散热涂料的钢板温度均低于未涂散热涂料的钢板，说明本实施例的氨基化富勒烯散热涂料具有较好的散热效果。室温25℃。
表4 平衡60分钟后A板和B板的温度
实施例5
水性环氧树脂45份、碳纳米笼10份、水90份、绿S10份、聚二甲基硅氧烷5份、乙二胺5份、氨丙基三甲基氧基硅烷5份。
(1)将45份水性环氧树脂、10份碳纳米笼、90份水混合加入搅拌机，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(2)依次向搅拌机中加入5份聚二甲基硅氧烷、5份乙二胺以及5份氨丙基三甲基氧基硅烷，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(3)向搅拌机中加入10份绿S，控制转速1000rpm，混合混匀后即得绿色的碳纳米笼散热涂料。
将所得散热涂料喷涂于钢板上，低温固化后对其性能进行检测。将两块不锈钢钢板(A板表面未涂散热涂料，B板表面涂散热涂料)放置于加热板上，依次调整温度50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃，每次调温后，平衡60分钟再继续加热至下一温度,利用测温仪记录温度，结果表明涂有散热涂料的钢板温度均低于未涂散热涂料的钢板，说明本实施例的碳纳米笼散热涂料具有较好的散热效果。室温25℃。
表5 平衡60分钟后A板和B板的温度
实施例6
水性聚氨酯60份、氨基碳纳米管10份，氨基化石墨烯10份、水80份、偶氮玉红10份、聚二甲基硅氧烷5份、HDI缩二脲5份、氨丙基三甲基氧基硅烷5份。
(1)将60份水性聚氨酯、10份氨基碳纳米管、10份氨基化石墨烯、80份水混合加入搅拌机，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(2)依次向搅拌机中加入5份聚二甲基硅氧烷、5份HDI缩二脲以及5份氨丙基三甲基氧基硅烷，控制转速1000rpm，搅拌时间1h；
(3)向搅拌机中加入10份偶氮玉红，控制转速1000rpm，混合混匀后即得红色碳纳米管散热涂料。
将所得散热涂料喷涂于钢板上，低温固化后对其性能进行检测。将两块不锈钢钢板(A板表面未涂散热涂料，B板表面涂散热涂料)放置于加热板上，依次调整温度50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃，每次调温后，平衡60分钟再继续加热至下一温度,利用测温仪记录温度，结果表明涂有散热涂料的钢板温度均低于未涂散热涂料的钢板，说明本实施例的氨基碳纳米管/氨基化石墨烯散热涂料具有较好的散热效果。室温25℃。
表6 平衡60分钟后A板和B板的温度
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高导热散热涂料，其特征在于，包括水性树脂、填料、功能添加剂，所述水性树脂为水性环氧树脂，水性聚乙烯醇树脂、水性聚氨酯树脂或水性酚氧树脂，所述填料选自石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯和碳纳米笼或其相应改性材料的一种或多种，所述功能添加剂选自着色剂，分散剂，消泡剂、固化剂以及附着力促进剂中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，各组分的质量份数组成为：水性树脂40-90份、填料5-20份、功能添加剂30-45份、水50-90份。
3.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管，双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
4.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，所述石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯和碳纳米笼改性材料为羧酸基、磺酸基、硫酸基、磷酸基、氨基、羟基和季铵基中的亲水基团功能化修饰后的碳材料。
5.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，所述氧化石墨由Brodie法，Staudenmaier法或Hummers法制备。
6.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，所述着色剂选自柠檬黄、苋菜红、靛蓝、胭脂红、亮黑、日落黄、诱惑红、红2G、偶氮玉红、绿S、亮蓝、专利蓝V、赤藓红、酸性橙Ⅰ、酸性橙Ⅱ、酸性黄36、酸性红26和酸性红52中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，当所述水性树脂为水性聚氨酯时，所用固化剂为异氰酸酯-多元醇加成物、异氰酸酯、HDI缩二脲或HDI三聚体中。
8.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，当所述水性树指为水性环氧树脂、聚乙烯醇树脂和水性酚氧树脂时，所用固化剂为乙二胺、间苯二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或二乙氨基丙胺。
9.如权利要求1所述的高导热散热涂料，其特征在于，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷，所述附着力促进剂为氨丙基三甲基氧基硅烷。
10.一种制备根据权利要求1-9任一项所述的高导热散热涂料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a)将水性树脂、填料、水混合加入搅拌机，调整转速，进行搅拌；
b)依次向搅拌机中加入分散剂、消泡剂、固化剂以及附着力促进剂，调整转速，继续搅拌；
c)向搅拌机中加入着色剂，调整转速，混合混匀后即得碳材料导热散热涂料。
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