CN107160773B - 一种具有红外辐射散热功能的复合膜及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有红外辐射散热功能的复合膜及其制备方法和用途，所述具有红外辐射散热功能的复合膜包括透明薄膜，所述透明薄膜中分散有粒径为10nm‑10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子，所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子的体积为透明薄膜体积的2％‑10％，所述透明薄膜的一侧设置有金属层。所述具有红外辐射散热功能的复合膜散热性能好，并且散热速度快；制备方法简单；能够用作散热元件，对各种器件进行散热。

Description

一种具有红外辐射散热功能的复合膜及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于散热技术领域，涉及一种复合膜及其制备方法和用途，尤其涉及一种具有红外辐射散热功能的复合膜及其制备方法和用途。
背景技术
电子元器件和组件的散热一般是通过三种渠道：空气对流；热传导；热(红外)辐射。在特种条件下的散热，如宇航业中的电子器件的散热就只能靠热传导和热辐射。目前散热技术大都仍然采用传统的散热器结构，比方说在超大规模集成电路块上加上大面积散热器和风扇等等。但是，其散热性能还有待进一步提高。
CN1338482A公开了一种用于高分子聚合物的红外线阻隔剂，所述红外线阻隔剂由粒径为10-100nm的纳米级和/或粒径为100nm-15μm的亚微米级氧化物或碳化物等微粒子所混合组成制备成粉状和粒状两种形态的红外线阻隔剂。其可广泛作为：PVC糊树脂涂层材料、油漆、乳胶漆类涂料、聚烯烃薄膜类产品、合成纤维类产品作为阻隔红外线辐射的功能性添加剂。但是，所述红外线阻隔剂仅能阻隔红外线，将其应用到散热组件中，可见光还会使散热组件发热，影响散热效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有红外辐射散热功能的复合膜及其制备方法和用途，所述具有红外辐射散热功能的复合膜散热快并且散热性能好，可用作散热元件。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种复合膜，包括透明薄膜，所述透明薄膜中分散有粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子，所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子的体积为透明薄膜体积的2％-10％，如3％、3.5％、4％、5％、6％、6.5％、7％、8％或9％等，所述透明薄膜的一侧设置有金属层。
所述粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子是指所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子的粒径在10nm-10μm的范围内有近似均匀的分布，所述近似均匀的分布是指各个粒径的粒子的数目相差量在5％以内，如0.2％、0.5％、0.8％、1.0％、1.5％、2.0％、3.0％、4.0％或4.5％等，即以粒径为横坐标，以粒子数目为纵坐标的粒径-粒子数目图近似为水平直线。
所述红外波段以上的光线是指其波长在870nm以上的光波(线)。
本发明提供的复合膜中所述金属层能够反射可见光，反射率大于95％，并且由于其热传导系数大，其能够以红外辐射的形式有效地将与金属层面相贴的物体的热量传递出去；所述透明薄膜能够透过可见光，对可见光光谱范围的辐射具有很小的吸收，因此，其在日光照射下不产生或仅产生极为微小的热量；粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子能够透过可见光，并且能够将热量通过红外辐射散失掉，从而使得所述复合膜自身具有的热量极低，并且能够快速地将与金属层面相贴的物体的热量散失，保证散热效果，即所述复合膜具有红外辐射散热功能。
所述复合膜具有如下特征：能够反射日光的照射，不在膜内和膜后产生因日光辐照产生的热量；而在红外光谱范围，由于透明粒子的独特光学特性，能够强烈地辐射由金属层热传导而来的待散热物质的热量。
所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的对红外波段以上的光线的辐射系数为0.74-0.90，如0.75、0.78、0.81、0.83、0.85或0.88等。
优选地，所述透明粒子选自透明的无机化合物粒子和/或透明的聚合物粒子。
优选地，所述透明的无机化合物粒子选自二氧化硅粒子和/或碳化硅粒子。
优选地，所述透明的聚合物粒子选自聚碳酸酯粒子、雅克力粒子或PET粒子中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合如聚碳酸酯粒子与雅克力粒子，聚碳酸酯粒子与PET粒子，聚碳酸酯粒子、雅克力粒子与PET粒子。
出于制备复合膜的成本考虑，优选所述透明粒子为二氧化硅粒子。
所述透明粒子为圆珠状或椭圆珠状。所述透明粒子的形状选自圆珠状或椭圆珠状的优点在于便于理论设计和估算，按尺寸大小的均匀分布函数制作相对容易实现。
所述稀土元素选自铷(Ru)、铕(Eu)、铌(Nd)、铥(Tm)或钬(Ho)中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如铷与铕，铌、铥与钬。稀土元素掺杂能够改变透明粒子的光学特性，从而使得透明粒子在不同的粒径范围内对红外波段具有增强辐射的功能。所述稀土元素掺杂的透明粒子的制备方法如张裕卿等人研究的非化学计量掺杂稀土元素纳米SiO2复合粒子的制备方法：以有机硅烷及经过干燥前处理后的稀土元素无机盐为单体，分别溶于无水乙醇和蒸馏水中配制成各自的前驱体，在机械搅拌下均匀混合，在超声波环境下，以氨水作为缓冲溶液的碱性条件下进行水解，形成均一、稳定、透明的溶胶，经陈化得到凝胶，凝胶经共沸蒸馏脱水，然后在马弗炉中烧结得到无团聚的掺杂稀土元素纳米SiO2复合粒子。
所述透明薄膜的厚度为20-100μm，如25μm、30μm、40μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm或95μm等。所述透明薄膜的厚度有利于与金属层贴合的待散热物体的热量的散失。
所述透明薄膜选自聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如聚乙烯薄膜与聚丙烯薄膜，聚丙烯薄膜与聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，聚乙烯薄膜与聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
所述透明薄膜为透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子提供了一个连续的介质，以保证复合薄膜的机械强度，同时透明膜能够使可见光穿透而避免由于光吸收所产生的热量。
所述金属层的厚度为0.1-1.0μm，如0.2μm、0.3μm、0.42μm、0.45μm、0.55μm、0.62μm、0.78μm、0.82μm或0.90μm等，优选为0.1-0.5μm。所述金属薄膜的厚度没有特殊要求，只要能够满足反射可见光即可，其厚度可根据实际情况进行调节。
优选地，所述金属层选自金层、银层或铝层中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如金层与银层，金层与铝层，金层、银层与铝层。
所述金属层能够反射上述透过透明薄膜的可见光，并具有良好的热传导性。
所述金属层远离透明薄膜的一侧还设置吸热材料层和/或颜色涂层，当同时设置吸热材料层和颜色涂层时，颜色涂层位于最外层。
对于设置有吸热材料层的复合膜，能够更有效地吸收发热物体的热量，经金属层传热再辐射降温；当膜反过来使用时，吸热材料层能够吸收外界热量，而保持内部物体的热量，并且向内部辐射热量，达到保温效果。对于设置有颜色涂层的复合膜，此种膜(反过来使用)可用于军事帐篷，以达到保温和防止红外探测(红外阻隔)作用。
优选地，所述吸热材料层选自炭黑层。
优选地，所述颜色涂层选自迷彩色层。
本发明还提供了如上所述复合膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将配方量的粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子进行表面修饰；
(2)在一层透明薄膜上均匀分布步骤(1)所得修饰后的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子，再在其上覆盖一层透明薄膜，经冷压或热压形成“三明治”结构的薄膜；或，将步骤(1)所得修饰后的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子与透明薄膜原料混合，制成薄膜；
(3)在步骤(2)所得薄膜一侧制备金属层，任选地，在金属层远离透明薄膜的一侧制备吸热材料层和/或颜色涂层，得到所述复合膜。
步骤(1)所述表面修饰可采用本领域常规的方法进行，其表面修饰的目的是为了便于透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子在透明薄膜中的分散。本领域技术人员可根据实际需要选择相应的表面修饰方法。典型但非限制性的表面修饰方法如采用硅烷偶联剂对二氧化硅表面进行修饰。
步骤(2)所述透明薄膜可采用熔融、流延或拉伸的方法制备。
本发明中所述的透明薄膜与透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子形成的“三明治”结构是指上下两层透明薄膜将透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子包裹其中，经冷压或热压而形成的复合膜。
本发明还提供了如上所述的复合膜的用途，其用作散热元件或保温材料。
当所述复合膜用作散热元件时，所述散热元件的金属层与待散热物质贴合，当可见光照射所述散热元件时，由于复合膜中的透明薄膜和透明粒子均不吸收可见光，所述可见光直接照射到金属层上，所述金属层将可见光反射出去，其能够反射约95％的可见光，待散热物质中产生的热量通过金属层(或吸热材料层)传递给透明薄膜和透明粒子，透明粒子将热量以红外辐射的形式散失，从而保证待散热物质和所述散热元件的温度都维持在较低的水平。
当所述复合膜用作保温材料时，将分散有透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子的透明薄膜包裹待保温件，金属层向外，此时可达到保温效果，该复合膜的保温效果与7μm铝箔比可提高10％-15％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的复合膜具有波谱响应范围宽(波长从0.4微米到20微米)，红外辐射散热性能和保温性能好，在透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子体积占透明薄膜体积的8％时，平均红外发射率大于90％，并且能够反射95％以上的阳光(可见光)。所述复合膜在太阳直射的条件下仍然能够达到90瓦/平方米的冷却效果。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
以下实施例采用比较法进行复合膜的散热性能测试，具体地：选取两个相同的圆柱(管)体容器：A和B，A与B的侧面用隔热材料包裹，端面均不作处理，A与B内各放置一个精准的温度计，A和B相隔一定距离放置在相同的窗台上使其一端面朝着窗外。预测量时校准A与B内的温度计读数，应该与室温读数一致。测量复合膜散热性能时，将A朝着窗外的端面贴上复合膜，复合膜与端面的接触面积为S，并在复合膜的背面贴上可控的(微型平板式)发热元件，B不作处理。在发热元件不通电工作时，由于复合膜的辐射散热，致使A内的温度下降。利用A与B的温度差来反馈调控A圆柱体内发热元件的电压或电流，最终使得A与B内的温度计的读数一致。此时，发热元件的热功率即为复合膜的散热功率。计算一段时间(上午9：00至下午4：00)内加热元件平均加热功率W，将W与S的比值记为复合膜的单位面积的平均散热功率。
实施例1
一种复合膜，包括透明薄膜，所述透明薄膜中分散有粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子，所述透明薄膜的一侧设置有金属层；所述透明薄膜的厚度为20μm；所述透明粒子的体积为透明薄膜体积的8％，所述金属层的厚度为0.1μm；
所述透明粒子选自二氧化硅粒子；所述透明粒子为圆珠状；
所述透明薄膜选自聚乙烯薄膜；
所述金属层选自金膜。
所述的复合膜的制备方法包括如下步骤：
(1)将配方量的粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子进行表面修饰，之后与透明聚合物薄膜原料混合，得到混合料；
(2)将混合料制备成薄膜；
(3)在薄膜一侧制备金属层，得到所述复合膜。
将所述的复合膜用作散热元件，检测其散热性能如下：平均红外辐射率为87％，散热功率为85瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例2
一种复合膜，除所述透明薄膜的厚度为30-40μm，所述金属层的厚度为0.2μm，所述透明粒子的体积为透明薄膜体积的2％外，其余与实施例1相同。
所述复合薄膜的制备方法包括如下步骤：
(1)将配方量的透明粒子进行表面修饰；
(2)在15-20μm的透明薄膜上均匀分布的微粒，再覆盖一层15-20μm的透明薄膜，冷压后形成薄膜；
(3)在薄膜一侧制备金属层，得到所述复合膜。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为：平均红外辐射率为90％，散热功率为93瓦/平方米(无阳光直射条件下)和90瓦/平方米(阳光直射下)。
实施例3
一种复合膜，除所述透明薄膜的厚度为30μm，所述金属层的厚度为0.2μm，所述透明粒子的体积为透明薄膜体积的10％，所述金属层上涂布1-5μm含有平均粒径为0.1微米的碳黑的涂层外，其余与实施例1相同。
所述复合膜的制备方法除步骤(3)为在薄膜的一侧制备金属层，并在金属层上涂布炭黑层，得到复合膜外，其余与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为：平均红外辐射率为80％，散热功率为78瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
将实施例3所述的复合膜用作保温元件，即将含碳黑涂层朝外覆盖在物体上(周围)以保持被包裹物体的热量。其保温性能为：相比7μm铝箔包裹，保温效率提高10％-15％，但复合膜的撕裂强度要比铝箔强10-50倍。
实施例4
一种复合薄膜及其制备方法，除透明薄膜的厚度为100μm，金属层的厚度为1.0μm外，其余与实施例3相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为：平均红外辐射率为79％，散热功率为78瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
另外，将实施例1-4中的二氧化硅粒子替换为碳化硅粒子后制成的复合膜用作散热元件，其散热性能为：平均红外辐射率为80％-85％，散热功率为80-92瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例5
一种复合膜，除所述透明薄膜选自聚丙烯膜外，其余与实施例3相同。
所述复合膜的制备方法与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为：平均红外辐射率为76％，散热功率为70瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例6
一种复合膜，除所述透明薄膜选自聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜外，其余与实施例3相同。
所述复合膜的制备方法与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为平均红外辐射率为82％，散热功率为77瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例7
一种复合膜，除所述透明薄膜选自厚度比为2:1:1的聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜外，其余与实施例3相同。
所述复合膜的制备方法与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为平均红外辐射率为80％，散热功率为79瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例8
一种复合膜，除所述金属层为银层外，其余与实施例3相同。
所述复合膜的制备方法与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为平均红外辐射率为80％，散热功率为78瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例9
一种复合膜，除所述金属层为铝层外，其余与实施例3相同。
所述复合膜的制备方法与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为平均红外辐射率为79％，散热功率为78瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
实施例10
一种复合膜，除所述金属层为厚度比为1:2:1金层、银层和铝层外，其余与实施例3相同。
所述复合膜的制备方法与实施例1所述的制备方法相同。
将所述复合膜用作散热元件，其散热性能为平均红外辐射率为82％，散热功率为80瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
将实施例1-10中的透明粒子替换为稀土元素掺杂的透明粒子后得到的复合膜分别用作散热元件，其散热性能为平均红外辐射率为80-92％，散热功率为80-93瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
对比例1
除将透明粒子的粒径调节为10nm-100nm且准均匀分布外，其余与实施例3相同。
将所述复合膜用作散热元件，检测其散热性能如下平均红外辐射率为30％，散热功率为35瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
对比例2
除将透明粒子的粒径调节为10nm-100nm且准均匀分布的稀土元素掺杂透明粒子外，其余与实施例3相同。
将所述复合膜用作散热元件，检测其散热性能如下平均红外辐射率为32％，散热功率为33瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
对比例3
除将透明粒子的粒径调节为100nm-10μm且准均匀分布外，其余与实施例3相同。
将所述复合膜用作散热元件，检测其散热性能如下平均红外辐射率为50％，散热功率为48瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
对比例4
除将透明粒子的粒径调节为100nm-10μm且准均匀分布的稀土元素掺杂的透明粒子外，其余与实施例3相同。
将所述复合膜用作散热元件，检测其散热性能如下平均红外辐射率为48％，散热功率为45瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
对比例5
除将透明粒子替换为CN1338482A中公开的常用型红外线阻隔剂外，其余与实施例3相同，其中，所述常用型红外线阻隔剂的重量比例为：SiO2 40-60％；Fe2O3 10-25％；云母10-25％；Al2O3 5-15％；TiO2 8-20％；CaCO3 5-15％。
将所述复合膜用作散热元件，检测其散热性能如下：平均红外辐射率为80％，散热功率为78瓦/平方米(无阳光直射条件下)。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (14)

1.一种复合膜，包括透明薄膜，其特征在于，所述透明薄膜中分散有粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子，所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子的体积为透明薄膜体积的2％-10％，所述透明薄膜的一侧设置有金属层；所述金属层远离透明薄膜的一侧还设置吸热材料层和/或颜色涂层；
所述复合膜的制备方法包括如下步骤：
(1)将配方量的粒径为10nm-10μm且粒径为准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子进行表面修饰；
(2)将步骤(1)所得修饰后的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子与透明薄膜原料混合，制成薄膜；
(3)在步骤(2)所得薄膜一侧制备金属层，在金属层远离透明薄膜的一侧制备吸热材料层和/或颜色涂层，得到所述复合膜；
所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子对红外波段以上的光线的辐射系数为0.74-0.90；
所述透明薄膜的厚度为20-100μm；
所述粒径为10nm-10μm且粒径准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子为所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子的粒径在10nm-10μm的范围内有近似均匀的分布，所述近似均匀的分布为各个粒径的粒子的数目相差量在5％以内。
2.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述透明粒子选自透明的无机化合物粒子和/或透明的聚合物粒子。
3.根据权利要求2所述的复合膜，其特征在于，所述透明的无机化合物粒子选自二氧化硅粒子和/或碳化硅粒子。
4.根据权利要求2所述的复合膜，其特征在于，所述透明的聚合物粒子选自聚碳酸酯粒子、雅克力粒子或PET粒子中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子为圆珠状和/或椭圆珠状。
6.根据权利要求1或5所述的复合膜，其特征在于，所述稀土元素选自铷、铕、铌、铥或钬中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述透明薄膜选自聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜中的任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述金属层的厚度为0.1-1.0μm。
9.根据权利要求8所述的复合膜，其特征在于，所述金属层的厚度为0.1-0.5μm。
10.根据权利要求9所述的复合膜，其特征在于，所述金属层选自金层、银层或铝层中的任意一种或至少两种的组合所述金属。
11.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述吸热材料层选自炭黑层。
12.根据权利要求1所述的复合膜，其特征在于，所述颜色涂层选自迷彩色层。
13.根据权利要求1-12中的任一项所述的复合膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将配方量的粒径为10nm-10μm且粒径为准均匀分布的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子进行表面修饰；
(2)将步骤(1)所得修饰后的透明粒子和/或稀土元素掺杂的透明粒子与透明薄膜原料混合，制成薄膜；
(3)在步骤(2)所得薄膜一侧制备金属层，在金属层远离透明薄膜的一侧制备吸热材料层和/或颜色涂层，得到所述复合膜。
14.根据权利要求1-12中的任一项所述的复合膜的用途，其用作散热元件或保温材料。
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