CN111138947A - 一种电绝缘辐射散热涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合涂料技术领域，提供一种电绝缘辐射散热涂料及其制备方法，电绝缘辐射散热涂料包括以下重量份数的各原料组分：涂料基体50‑150份，复合散热填料50‑150份，表面活性剂0.2‑10份，偶联剂0.1‑15份，溶剂15‑100份，消泡剂0.5‑5份，所述复合散热填料由球形填料、纤维状填料和片状填料中的至少两种混合而成，每种填料包括核心材料和外包覆层，所述外包覆层包覆于所述核心材料的外表面，所述核心材料是导热导电材料，所述外包覆层材质是导热绝缘材料。本发明的电绝缘辐射散热涂料，发射率高、电绝缘性好、具备高导热和高散热性能且物理化学性质稳定；制备方法简单，对整个涂料配方中各组分的加入顺序及反应过程进行了优化。

Description

一种电绝缘辐射散热涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合涂料技术领域，尤其涉及一种电绝缘辐射散热涂料及其制备方法。

背景技术

随着电子集成技术的快速发展，电子设备向小型化和轻薄化方向发展，系统的集成度越来越高。另一方面，电子设备中高功率元器件的应用，热功耗急剧增大，由此产生的热量没有充足的空间散发，从而直接影响产品的工作性能以及使用寿命，统计显示，约40％以上的电子产品可靠性(寿命)故障是由温升问题引起的。随着5G时代的来临，电子产品的散热任务变的尤为严峻。

一般来说，尤其是对于自然散热，增加器件表面的发射率可有效增加辐射散热，提高辐射效率。目前，行业内主要通过增加器件表面积，改善表面质量(粗糙度、阳极氧化、喷砂)或使用辐射散热涂料来提高发射率。根据实际测试的结果来看，使用辐射散热涂料是行之有效的途径。在考虑辐射散热涂料发射率性能的同时，需要考虑涂料的导热性能，避免在器件表面形成较大的传热热阻，因此对涂料的散热填料需要进行特殊的选择和优化。

目前，辐射散热涂料中常用到的散热填料包括碳材料，如石墨烯、碳纳米管、石墨片、炭黑、碳纤维等；金属填料如铜、铝、锌、镍、银等；陶瓷填料如金属的氧化物如氧化铝、氧化镁、氧化锌，金属氮化物如氮化铝、氮化硼、氮化硅以及金属碳化物碳化硅、碳化硼等。在电子行业内，辐射散热涂料在某些场景下的应用需要考虑其绝缘性能，如PCB板卡行业，在板卡上涂敷辐射散热涂料可以有效降低板卡整体温升，但如果涂料导电则会连通高低压区，造成安全隐患，违反安规要求，此时碳材料和金属填料即导热又导电的性质会严重影响其使用，虽然通过陶瓷填料制备的涂料具有电绝缘性能，但陶瓷填料的导热和散热性能要普遍低于碳材料和金属填料。此外，目前市场上一些散热涂料，当涂料的使用量达到一定厚度时，其热阻会显著增加，从而无法充分发挥涂料的辐射散热性能。

因此，针对电子行业的特殊应用场景，专门开发出一种兼顾高发射率、高导热率和高电绝缘性的散热涂料具有重要的意义和较大的市场前景。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种电绝缘辐射散热涂料，该涂料发射率高、电绝缘性好、具备高导热和高散热性能且物理化学性质稳定。

一种电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：包括以下重量份数的各原料组分：

所述复合散热填料由球形填料、纤维状填料和片状填料中的至少两种混合而成，每种填料包括核心材料和外包覆层，所述外包覆层包覆于所述核心材料的外表面，所述核心材料是导热导电材料，所述外包覆层材质是导热绝缘材料。

本发明实施例的电绝缘辐射散热涂料，对配方中的复合散热填料进行了特殊的结构设计，其内层导热导电，而外层导热绝缘，使其兼顾高导热、高发射率和优异的绝缘性能；本发明通过将球形填料、纤维状填料、片状填料中的至少两种进行搭配作为复合散热填料，由于各填料的形状不同，形成协同作用，可以构筑完整的三维导热网络结构，本发明的涂料通过构建完整的传热散热模型，可以高效降低热源的温度。

进一步地，所述球形填料的核心材料呈球形，所述纤维状填料的核心材料呈纤维状，所述片状填料的核心材料呈片状。

优选地，所述球形填料的核心材料选自炭黑、球形石墨、银粉、铜粉、铝粉、铁粉、锌粉或镍粉的一种或几种；所述纤维状填料的核心材料选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、银金属纤维、铜金属纤维、铝金属纤维中的一种或几种；所述片状填料的核心材料选自石墨烯、人造石墨片、天然石墨片、片状铝材、片状铜材中的一种或几种；每种填料的外包覆层材料选自氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化硅、氧化锌中的一种或几种。

优选地，所述复合散热填料中不同形状填料的重量相等。例如，当选取任意两种填料搭配，两种填料的重量比为1:1，当选取三种填料搭配，三种填料的重量比为1:1:1。

进一步地，每种填料通过外包覆层材料对核心材料进行液相包覆制备得到，在包覆前对所述核心材料进行表面处理。

进一步地，所述涂料基体选自热塑性树脂基体、热固性树脂基体、橡胶类基体、复合型基体中的一种或几种。例如，热塑性树脂基体可选但不限于聚丙烯酸、聚酰胺中的一种或几种，热固性树脂可选但不限于环氧树脂、酚醛树脂中的一种或几种，橡胶类基体可选但不限于氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶中的一种或几种，复合型基体可选但不限于酚醛-丁腈、酚醛-聚氨酯、环氧-丁腈中的一种或几种。

进一步地，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、脂肪酸甘油酯、氨基酸型表面活性剂、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种，表面活性剂的作用是增加核心材料的表面活性，以使外包覆材料核心材料二者的界面结合更好，得到包覆完整、结构稳定的填料；所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯、铝酸酯偶联剂中的一种或几种，偶联剂的使用可增加复合散热填料在涂料基体中的稳定和分散性，减少界面间隙，提高相界面结合强度；所述溶剂选自去离子水、无水乙醇中的一种或两种；所述消泡剂选自脂肪酸酯、双烷基磷酸酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。

优选地，所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：还包括

增塑剂 0.5-8份，

分散剂 0.1-6份。

进一步地，所述增塑剂选自邻苯二甲酸酯、磷酸酯类、脂肪族二元酸酯、脂肪酸酯、苯多酸酯、多元醇酯、环氧烃类、烷基磺酸酯中的一种或几种，增塑剂的加入可以提高加工性能和延展性；所述分散剂选自乙烯基双硬脂酰胺、脂肪酸类、脂肪族酰胺类、三乙基己基磷酸、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种，分散剂的加入使原料成分分散更加均匀，使涂料品质更稳定。

本发明实施例还提供一种上述电绝缘辐射散热涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对核心材料进行表面预处理，然后与溶剂混合，再加入表面活性剂进行表面处理，得到悬浮液一；

S2：在悬浮液一中加入外包覆材料进行液相包覆，得到填料；

S3：将具有多种形状的填料混合成复合散热填料，加入到偶联剂中混合均匀，得到悬浮液二；

S4：按照配方中的重量份数依次向悬浮液二中加入涂料基体和消泡剂，或加入涂料基体、增塑剂、分散剂和消泡剂，搅拌后得到电绝缘辐射散热涂料。

本发明实施例的电绝缘辐射散热涂料的制备方法，对整个涂料配方中各组分的加入顺序及反应过程进行了特殊的优化，创新性地采用了三次界面处理工艺，即先对导热导电的核心材料进行表面预处理，去除表面杂质，增加表面活性，再通过加入表面活性剂和导热绝缘的外包覆材料进行液相包覆，然后加入偶联剂增加复合散热填料在涂料基体中的稳定和分散性，减少界面间隙，提高相界面结合强度，从而利于声子在相界面的传递，减少界面声子散射，进一步提高涂料的导热和散热性能以及涂料固化后的表面附着力和耐候性。本发明制备方法简单，且制备得到的电绝缘辐射散热涂料具备高导热、高发射率和优异的绝缘性能。

本发明的电绝缘辐射散热涂料及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明制备的电绝缘辐射散热涂料，对配方中的复合散热填料进行了特殊的结构设计，其内层导热导电，而外层导热绝缘，使其兼顾高导热、高发射率和优异的绝缘性能；本发明通过将球形填料、纤维状填料、片状填料中的至少两种进行搭配作为复合散热填料，由于各填料的形状不同，形成协同作用，可以构筑完整的三维导热网络结构，使涂料获得高导热系数，热源产生的热量通过丰富的三维导热网络路径传递到涂料表面，再结合涂料的高辐射散热性能将热量散发到空气中，从而使整个体系达到热平衡后的温升更低，进一步降低热源的温度；

(2)本发明制备的电绝缘辐射散热涂料，由于具备高导热和高散热的性能，通过将器件的热量传递和辐射到空气中，迅速降低器件的表面温度，涂料性能稳定性高、使用寿命长；同时由于本发明制备的散热涂料还具有高绝缘性，可以直接应用于一些需要绝缘的场景中，如取代PCB板卡表面油漆，可以减少散热器的大量使用，使电子产品的散热结构简单化和轻便化；

(3)电绝缘辐射散热涂料的制备方法，制备方法简单，对整个涂料配方中各组分的加入顺序及反应过程进行了特殊的优化，创新性地采用了三次界面处理工艺，即先对导热导电的核心材料进行表面处理，去除表面杂质，增加表面活性，再通过加入表面活性剂和导热绝缘的外包覆材料进行液相包覆，然后加入偶联剂增加复合散热填料在涂料基体中的稳定和分散性，减少界面间隙，提高相界面结合强度，从而利于声子在相界面的传递，减少界面声子散射，进一步提高涂料的导热和散热性能以及涂料固化后的表面附着力和耐候性；

(4)本发明制备的电绝缘辐射散热涂料，施工工艺简单，可以通过喷涂或刷涂等方式直接施加于需要散热的器件或产品表面，同时由于本发明制备的涂料物理化学性质稳定，耐水、耐盐雾性能优异，表面硬度和附着力高，因此还可起到一定的防护作用，市场前景广阔。

附图说明

图1是本发明各实施例中球形填料的截面结构示意图；

图2是本发明各实施例中带截面的纤维状填料立体结构示意图；

图3是本发明各实施例中带截面的片状填料立体结构示意图；

图4是本发明实施例3的电绝缘辐射散热涂料的导热通路模型图；

图5是施加有本发明实施例1～3的电绝缘辐射散热涂料与未施加辐射散热涂料的四个同种型号的散热器的温升曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，不是旨在限制本发明。

实施例1

本实施例的电绝缘辐射散热涂料，包括以下重量份数的原料：涂料基体100份、复合散热涂料80份、表面活性剂5份、偶联剂6份、增塑剂3份、溶剂16份、分散剂3份、消泡剂2份。其中，所述涂料基体为环氧树脂，复合散热填料为球形填料与纤维状填料按重量比1：1组成的混合填料，其中球形填料的核心材料为球形铝，外包覆层材料为氮化硅，纤维状填料的核心材料为碳纳米纤维，外包覆层材料为碳化硅，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，偶联剂为硅烷偶联剂，增塑剂为邻苯二甲酸酯，溶剂为去离子水，分散剂为乙烯基双硬脂酰胺，消泡剂为脂肪酸酯。

该电绝缘辐射散热涂料的制备方法，包括如下步骤；

(1)将球形铝加入一定浓度的金属脱脂剂溶液中，浸泡30min后，通过去离子水多次洗涤并干燥，得到经预处理的核心材料一；

(2)将经预处理的核心材料一加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶液中混合搅拌，得到悬浮液一；

(3)向悬浮液一中加入外包覆材料氮化硅颗粒，在室温下搅拌60min进行液相包覆，通过去离子水反复洗涤多次后干燥，得到球形填料(球形填料的截面结构如图1所示，图1中的标号1为外包覆层，标号2为核心材料一)；

(4)向反应釜中加入碳纳米纤维和一定量的强酸溶液，在90℃下搅拌并回流处理60min，通过去离子水反复洗涤多次后干燥，得到经预处理的核心材料二；

(5)将经预处理的核心材料二与去离子水混合，再加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠混合均匀，得到悬浮液二；

(6)向悬浮液二中加入外包覆材料碳化硅，在室温下搅拌60min进行液相包覆，通过去离子水反复洗涤多次后干燥，得到纤维状填料(带截面的纤维状填料立体结构如图2所示，图2中的标号1为外包覆层，标号2为核心材料二)；

(7)将球形填料和纤维状填料按1：1加入硅烷偶联剂溶液中，混合均匀后得到悬浮液三；

(8)按照配方中的重量份数依次向悬浮液三中加入环氧树脂、邻苯二甲酸酯、乙烯基双硬脂酰胺和脂肪酸酯，将容器抽真空后搅拌90min，即可得到电绝缘辐射散热涂料；

(9)包装出料。

需注意的是，以上制备步骤中的(1)～(3)和(4)～(6)可以分别进行，也可以同时进行，其序号并不作为对操作顺序的限定。

实施例2

本实施例的电绝缘性辐射散热涂料，其包括以下重量份数的原料：涂料基体120份、复合散热涂料100份、表面活性剂7份、偶联剂9份、增塑剂2份、溶剂20份、分散剂2份、消泡剂3份。其中，所述涂料基体为硅橡胶，复合散热填料为球形填料与片状填料按重量比1：1组成的混合填料，其中球形填料的核心材料为球形铝，外包覆层材料为氮化硅，片状填料的核心材料为石墨片，外包覆层材料为氮化铝，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，偶联剂为硅烷偶联剂，增塑剂为烷基磺酸酯，溶剂为去离子水，分散剂为脂肪酸聚乙二醇酯，消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

该绝缘辐射散热涂料的制备方法，包括如下步骤；

(1)将球形铝加入一定浓度的金属脱脂剂溶液中，浸泡30min后，通过去离子水多次洗涤并干燥，得到经预处理的核心材料一；

(2)将经预处理的核心材料一加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮溶液中混合搅拌，得到悬浮液一；

(3)向悬浮液一中加入外包覆材料氮化硅颗粒，在室温下搅拌60min进行液相包覆，通过去离子水反复洗涤多次后干燥，得到球形填料；

(4)向反应釜中加入石墨片和一定量的强酸溶液，在90℃下搅拌并回流处理60min，通过去离子水反复洗涤多次后干燥，得到经预处理的核心材料二；

(5)将经预处理的核心材料二与去离子水混合，并加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，得到悬浮液二；

(6)向悬浮液二中加入外包覆材料氮化铝，在室温下搅拌60min进行液相包覆，通过去离子水反复洗涤多次后干燥，得到片状填料(带截面的片状填料立体结构如图3所示，图3中的标号1为外包覆层，标号2为核心材料二)；

(7)将球形填料和片状填料按1：1加入硅烷偶联剂溶液中，混合均匀后得到悬浮液三；

(8)按照配方中的重量份数依次向悬浮液三中加入硅橡胶、烷基磺酸酯、脂肪酸聚乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷，将容器抽真空后搅拌100min，即可得到电绝缘辐射散热涂料；

(9)包装出料。

需注意的是，以上制备步骤中的(1)～(3)和(4)～(6)可以分别进行，也可以同时进行，其序号并不作为对操作顺序的限定。

实施例3

本实施例的电绝缘性辐射散热涂料，包括以下重量份数的原料：涂料基体130份、复合散热涂料120份、表面活性剂9份、偶联剂10份、增塑剂6份、溶剂30份、分散剂5份、消泡剂4份。其中，所述涂料基体为改性环氧树脂，复合散热填料为球形填料、纤维状填料与片状填料按重量比1：1：1组成的混合填料，其中球形填料的核心材料为球形铝，外包覆层材料为氮化硅，纤维状填料的核心材料为碳纳米纤维，外包覆层材料为碳化硅，片状填料的核心材料为石墨片，外包覆材料为氮化铝。表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，偶联剂为硅烷偶联剂，增塑剂为邻苯二甲酸酯，溶剂为去离子水，分散剂为脂肪酸聚乙二醇酯，消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

该绝缘辐射散热涂料的制备方法，包括如下步骤；

(1)将实施例1中制备的球形填料、纤维状填料与实施例2中制备的片状填料按重量比1：1：1混合后加入硅烷偶联剂溶液中搅拌混合均匀，得到悬浮液一；

(2)按照配方中的重量份数依次向悬浮液一中加入改性环氧树脂、邻苯二甲酸酯和脂肪酸聚乙二醇酯，将容器抽真空后搅拌120min，即可得到电绝缘辐射散热涂料；

(3)包装出料。

实施例3的电绝缘辐射散热涂料的导热通路模型如图4所示。

实施例4

为了进一步说明本发明设计的电绝缘辐射散热涂料的性能优势，现将实施例1～3的涂料分别涂敷于普通铝挤散热器表面，散热器底部安装一固定功率的热源，并在封闭空间内分别测试施加了实施例1、实施例2、实施例3与未施加辐射散热涂料的四个同种型号的散热器的散热性能，记录温升曲线，其结果如图5所示。由图5可知，施加有实施例1～3的电绝缘辐射散热涂料的散热器散热性能更好，其中实施例3的散热性最好，这也说明了实施例3通过球形填料、纤维状填料、片状填料三种填料的搭配，形成了协同作用，使涂料获得更高导热系数，热源产生的热量通过丰富的三维导热网络路径传递到涂料表面，再结合涂料的高辐射散热性能将热量散发到空气中，更高效降低了热源的温度。

同时对施加于铝挤散热器后的其他基本性能测试结果如下表1所示：

表1实施例1～3的电绝缘辐射散热涂料的各项性能测试结果

对实施例1～3刚制备出的电绝缘辐射散热涂料、以及散热器120℃持续工作500h后的所述涂料的导热系数及体积电阻率分别进行测定如下表2所示：

表2电绝缘辐射散热涂料在刚制备时和持续工作后的导热系数及体积电阻率对比表格

由表1～2可以看出，实施例1～3的电绝缘辐射散热涂料物理化学性质稳定，且具有高导热系数和电绝缘性能，且长时间使用后导热系数和电绝缘性能能继续维持在较高水平，即电绝缘辐射散热涂料的高导热和电绝缘的稳定性好，使用寿命长。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：包括以下重量份数的各原料组分：

所述复合散热填料由球形填料、纤维状填料和片状填料中的至少两种混合而成，每种填料包括核心材料和外包覆层，所述外包覆层包覆于所述核心材料的外表面，所述核心材料是导热导电材料，所述外包覆层材质是导热绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：所述球形填料的核心材料呈球形，所述纤维状填料的核心材料呈纤维状，所述片状填料的核心材料呈片状。

3.根据权利要求2所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：所述球形填料的核心材料选自炭黑、球形石墨、银粉、铜粉、铝粉、铁粉、锌粉或镍粉的一种或几种；所述纤维状填料的核心材料选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、银金属纤维、铜金属纤维、铝金属纤维中的一种或几种；所述片状填料的核心材料选自石墨烯、人造石墨片、天然石墨片、片状铝材、片状铜材中的一种或几种；每种填料的外包覆层材料选自氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化硅、氧化锌中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：所述复合散热填料中不同形状填料的重量相等。

5.根据权利要求1所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：每种填料通过外包覆层材料对核心材料进行液相包覆制备得到，在包覆前对所述核心材料进行表面处理。

6.根据权利要求1所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：所述涂料基体选自热塑性树脂基体、热固性树脂基体、橡胶类基体、复合型基体中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸、脂肪酸甘油酯、氨基酸型表面活性剂、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯、铝酸酯偶联剂中的一种或几种；所述溶剂选自去离子水、无水乙醇中的一种或两种；所述消泡剂选自脂肪酸酯、双烷基磷酸酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：还包括

增塑剂 0.5-8份，

分散剂 0.1-6份。

9.根据权利要求8所述的电绝缘辐射散热涂料，其特征在于：所述增塑剂选自邻苯二甲酸酯、磷酸酯类、脂肪族二元酸酯、脂肪酸酯、苯多酸酯、多元醇酯、环氧烃类、烷基磺酸酯中的一种或几种，所述分散剂选自乙烯基双硬脂酰胺、脂肪酸类、脂肪族酰胺类、三乙基己基磷酸、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。

10.权利要求1～8任一所述的电绝缘辐射散热涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对核心材料进行表面预处理，然后与溶剂混合，再加入表面活性剂进行表面处理，得到悬浮液一；

S2：在悬浮液一中加入外包覆材料进行液相包覆，得到填料；

S3：将具有多种形状的填料混合成复合散热填料，加入到偶联剂中混合均匀，得到悬浮液二；

S4：按照配方中的重量份数依次向悬浮液二中加入涂料基体和消泡剂，或加入涂料基体、增塑剂、分散剂和消泡剂，搅拌后得到电绝缘辐射散热涂料。

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