CN109764320A - 一种相变增强石墨烯塑料散热器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变增强石墨烯塑料散热器及其制备方法，首先将石墨基填料、热塑性塑料和多种添加剂混合、注塑成型，注塑得到的石墨基塑料散热器内部存在微米级的孔隙，以此孔隙做为相变液通道，将高分子相变材料通过真空加热浸渍等方法填充到成型的石墨增强的导热塑料散热器中，然后在散热器表面喷涂石墨烯导热涂层，最终获得的相变增强石墨烯塑料散热器，可用做大功率LED、大功率电器、电力变换装置等的散热器。

Description

一种相变增强石墨烯塑料散热器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种相变增强石墨烯塑料散热器及其制备方法。

背景技术

散热不良是导致电子器件失效最主要的原因之一，目前常见的散热材料如铜、铝等金属，重量大成本高，在工艺上需要进行较复杂的表面处理来实现抗腐蚀。

金属散热器的替代方案之一是高导热塑料，以各类塑料为基材，以高导热陶瓷、石墨、金属等为填料，通过加工成型获得，具有工艺方便、产品自由度高、重量轻、散热均匀、排放低等特点，在大功率LED照明、大功率用电器、电力变换装置等的散热器等产业都有着广阔的应用前景。其中，石墨烯作为石墨的单原子层/寡层纳米结构，沿单原子层的导热率可达到5000W/mK以上，为石墨基导热塑料的发展大幅提升了前景。但是，在石墨烯复合材料中，石墨烯是层层叠加的，各层之间存在一定孔隙、因此导热率很低，造成石墨烯散热器的导热特性存在方向性差异，影响了实际散热效果。

相变材料可利用相变过程吸收大量热量，采用相变材料是散热器的一个发展方向。但相变材料在高温下会变成液体或气体，因此对采用相变材料的散热器提出较高的密封和耐压要求，如中国专利CN 206504650U“一种风冷板翅式复合毛细沟槽相变散热器”、CN203586138U“一种LED路灯组合式相变散热器”、CN203823618U“一种相变散热LED路灯”等均需要加工成宏观的散热通道，造成了成本的大幅度提高，相对传统的铝制或铜制散热器性价比不占优势，制约了其在低成本应用如大功率LED照明等领域的推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种相变增强石墨烯塑料散热器及其制备方法，解决了上述背景技术中散热效果差、宏观散热通道加工成本高等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种相变增强石墨烯塑料散热器，包括塑料基体，所述塑料基体内设有若干相变液通道，所述相变液通道内部填充有固-液相变温度为40～90℃的高分子相变材料，所述塑料基体外依次包覆有石墨烯导热涂层和绝缘层。

在本发明一较佳实施例中，所述高分子相变材料包括聚乙二醇、石蜡、高密度聚乙烯。

在本发明一较佳实施例中，所述塑料基体由石墨基填料、热塑性塑料和添加剂组成，三者的质量比为35～40:38～42:20～25。

在本发明一较佳实施例中，所述石墨基填料具有小于1微米的空隙，包括鳞片石墨、膨胀石墨、石墨粉、石墨烯、氧化石墨烯。

在本发明一较佳实施例中，所述石墨烯导热涂层由石墨烯和涂层粘结剂混合为浆料后烘烤而成，烘烤后涂层中的石墨基材料成分质量占比大于50％。

在本发明一较佳实施例中，所述石墨烯导热涂层的厚度为50～500微米。

在本发明一较佳实施例中，所述涂层粘结剂为氧化石墨烯、纯丙乳液或苯丙乳液。

在本发明一较佳实施例中，所述绝缘层包括纯丙乳液涂层。

本发明还提供了上述相变增强石墨烯塑料散热器的制备方法，包括如下步骤：

(1)取石墨基填料、热塑性塑料和添加剂以质量比35～40:38～42:20～25的比例混合，通过增韧、偶联、挤出制备成石墨塑料母粒，并在220℃条件下压塑成型，得到塑料基体；

(2)取一槽体，槽体内盛装有高分子相变材料，将步骤(1)制得的塑料基体与槽体紧固在一起，外侧通过硅橡胶密封垫圈密封，随后放入真空烘箱内，保持真空，65～75℃条件下烘烤24小时，得到填充有高分子相变材料的散热器；

(3)将石墨烯和涂层粘结剂充分混合形成浆料，均匀地喷在步骤(2)制备的散热器外表面，并于65～75℃的烘箱内，真空干燥24小时；

(4)重复步骤(3)4～5次，在散热器外表面形成厚度50～500微米的致密石墨烯导热涂层；

(5)将未掺入石墨烯的纯丙乳液喷洒在步骤(4)所得包覆石墨烯导热涂层的散热器表面并烘烤，形成绝缘层，得到成品相变增强石墨烯塑料散热器。

在本发明一较佳实施例中，所述塑料基体经压塑形成一基板，所述基板的一侧平行间隔延伸形成若干翅片，所述基板和翅片内形成若干相变液通道，所述步骤(2)中槽体紧固于基板不设翅片的一侧。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.通过在压塑成型的石墨烯塑料散热器中加入相变材料，在表面制作石墨烯涂层，有效提升了散热器的导热性能；

2.将石墨基填料、热塑性塑料和多种添加剂混合、注塑成型，并将高分子相变材料通过真空加热浸渍等方法填充到成型的石墨塑料散热器，利用材料结构中1微米以下的空隙形成相变液通道，高分子相变材料储存在热塑性塑料内部微米级孔隙中，在遇热发生固-液相变时，由于毛细作用不易流失，降低了对散热器的密封要求；

3.由于高分子相变材料的疏水性及其对热塑性塑料内部微观孔隙的填充，以及石墨烯涂层及绝缘层的密封性，可有效降低热塑性塑料的吸湿特性，提高该石墨烯散热器在雨、雪、雾等天气条件下的稳定性。

附图说明

图1为本发明散热器剖面结构示意图。

图2为塑料基体内部微观结构电镜照片。

图3为本发明制备方法步骤(2)实物图。

图4为本发明散热器实物图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明的内容：

实施例1

请查阅图1～2和4，本实施例的一种相变增强石墨烯塑料散热器，包括塑料基体2，所述塑料基体内设有若干相变液通道1，所述相变液通道1内部填充有高分子相变材料，所述高分子相变材料包括聚乙二醇、石蜡、高密度聚乙烯，通过选用不同分子量的材料，固-液相变温度为40～90℃，所述塑料基体2外依次包覆有石墨烯导热涂层和绝缘层。

所述塑料基体2由石墨基填料、热塑性塑料和添加剂组成，三者的质量比为35～40:38～42:20～25。请查阅图2，所述石墨基填料具有小于1微米的空隙，用于通过毛细作用吸收液相材料，石墨基填料包括鳞片石墨、膨胀石墨、石墨粉、石墨烯、氧化石墨烯，相变材料储存在热塑性塑料内部微米级孔隙(即相变液通道1)中，在遇热发生固-液相变时，由于毛细作用不易流失，降低了对散热器的密封要求。所述热塑性塑料包括但不限于ABS、尼龙、聚丙烯。所述添加剂为增韧剂和偶联剂，包括但不限于马来酸酐类增韧剂、EMA类增韧剂、硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂。

所述石墨烯导热涂层3由石墨烯和涂层粘结剂混合为浆料后烘烤而成，烘烤后涂层中的石墨基材料成分质量占比大于50％。所述石墨烯导热涂层3的厚度为50～500微米。所述涂层粘结剂为氧化石墨烯、纯丙乳液或苯丙乳液。

所述绝缘层4包括纯丙乳液涂层。

实施例2

本实施例提供了实施例1的相变增强石墨烯塑料散热器的制备方法，包括如下步骤：

(1)取膨胀石墨、POE-g-MAH增韧剂、PA6尼龙以39:21:40的质量比混合，通过增韧、偶联、挤出制备成石墨塑料母粒，并在200吨注塑机，220℃条件下压塑成型，得到塑料基体2；所述塑料基体2经压塑形成一基板，所述基板的一侧平行间隔延伸形成若干翅片，所述基板和翅片内形成若干间隙尺寸在1微米以下的孔隙，作为相变液通道1可通过毛细作用吸收液相材料；

(2)采用分子量150的聚乙二醇做为相变材料，置于图3所示的铝制槽体内，将步骤(1)制得的塑料基体2与槽体紧固在一起，外侧通过硅橡胶密封垫圈密封，随后放入真空烘箱内，保持真空，70℃条件下烘烤24小时，得到填充有高分子相变材料的散热器；

(3)按固含量质量比5：2将石墨烯浆料和纯丙乳液充分混合形成浆料，均匀地喷洒在步骤(2)制备的散热器外表面，并于70℃的烘箱内，真空干燥24小时；

(4)重复步骤(3)4～5次，在散热器外表面形成厚度50～500微米的致密石墨烯导热涂层3；

(5)将未掺入石墨烯的纯丙乳液喷洒在步骤(4)所得包覆石墨烯导热涂层3的散热器表面并烘烤，形成绝缘层4，得到如图4所示的成品相变增强石墨烯塑料散热器。

本领域技术人员可知，当本发明的技术参数在如下范围内变化时，可以预期得到与上述实施例相同或相近的技术效果：实施例2第(2)步采用真空加热浸渍的方法，但不排除借助温度和真空条件使相变材料渗透到热塑型塑料中的类似方法。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：包括塑料基体，所述塑料基体内设有若干相变液通道，所述相变液通道内部填充有固-液相变温度为40～90℃的高分子相变材料，所述塑料基体外依次包覆有石墨烯导热涂层和绝缘层。

2.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述高分子相变材料包括聚乙二醇、石蜡、高密度聚乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述塑料基体由石墨基填料、热塑性塑料和添加剂组成，三者的质量比为35～40:38～42:20～25。

4.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述石墨基填料具有小于1微米的空隙，包括鳞片石墨、膨胀石墨、石墨粉、石墨烯、氧化石墨烯。

5.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述石墨烯导热涂层由石墨烯和涂层粘结剂混合为浆料后烘烤而成，烘烤后涂层中的石墨基材料成分质量占比大于50％。

6.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述石墨烯导热涂层的厚度为50～500微米。

7.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述涂层粘结剂为氧化石墨烯、纯丙乳液或苯丙乳液。

8.根据权利要求1所述的一种相变增强石墨烯塑料散热器，其特征在于：所述绝缘层包括纯丙乳液涂层。

9.如权利要求1～8任一项所述一种相变增强石墨烯塑料散热器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取石墨基填料、热塑性塑料和添加剂以质量比35～40:38～42:20～25的比例混合，通过增韧、偶联、挤出制备成石墨塑料母粒，并在220℃条件下压塑成型，得到塑料基体；

(2)取一槽体，槽体内盛装有高分子相变材料，将步骤(1)制得的塑料基体与槽体紧固在一起，外侧通过硅橡胶密封垫圈密封，随后放入真空烘箱内，保持真空，65～75℃条件下烘烤24小时，得到填充有高分子相变材料的散热器；

(3)将石墨烯和涂层粘结剂充分混合形成浆料，均匀地喷在步骤(2)制备的散热器外表面，并于65～75℃的烘箱内，真空干燥24小时；

(4)重复步骤(3)4～5次，在散热器外表面形成厚度50～500微米的致密石墨烯导热涂层；

(5)将未掺入石墨烯的纯丙乳液喷洒在步骤(4)所得包覆石墨烯导热涂层的散热器表面并烘烤，形成绝缘层，得到成品相变增强石墨烯塑料散热器。

10.根据权利要求9所述一种相变增强石墨烯塑料散热器的制备方法，其特征在于：所述塑料基体经压塑形成一基板，所述基板的一侧平行间隔延伸形成若干翅片，所述基板和翅片内形成若干相变液通道，所述步骤(2)中槽体紧固于基板不设翅片的一侧。