TW201331541A - 散熱材料、散熱結構及其製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種散熱材料、散熱結構及其製備方法。散熱材料包括：10-30重量份的無機散熱奈米材料水性漿料、40-80重量份的水性高分子樹脂、0.5-5重量份的助劑以及5-20重量份的稀釋劑。無機散熱奈米材料水性漿料包括：10-25重量份的無機散熱奈米材料、0.5-20重量份的雙功能大分子改性劑以及50-100重量份的溶劑。所述無機散熱奈米材料是採用雙功能大分子改性劑進行表面修飾，通過在無機散熱奈米材料表面進行選擇性的吸附、接枝雜化反應，在材料表面形成酯鍵、矽氧鍵、氫鍵等配位自組裝行為以控制無機散熱奈米材料的界面性能，提高無機散熱奈米材料之間相容性和體系分散穩定性，以期獲得更高的散熱性能。

Description

散熱材料、散熱結構及其製備方法

本發明係關於一種散熱材料及其應用，特別是關於一種含有無機散熱奈米材料漿料的散熱材料及其製備方法。

導熱材料包含導熱片(Thermal Pad)、導熱膏(散熱膏)(Thermal Grease)、導熱膠帶(Thermal Tape)等，是設計用來提供一個最好的條件進行熱傳導，通常放置在發熱元件及散熱裝置之間，用來填補兩者之間的空隙，確實的將熱由發熱元件完全傳導至散熱裝置上。可應用在各種不同的產品上，例如：筆記型電腦、桌上型電腦、主機板、記憶模組DDR、主機板、硬碟、LED模組、PDP/LCD電視等。現在電子設備的功能越來越强大，然而體積確實越來越小，這就使得散熱問題成為設計者不得不面對的突出問題，習知的散熱設計不過是裝幾個風扇、開幾個散熱孔或者加一些散熱片而已，但是對於今天的體積小、發熱量大的用電器來說則是遠遠不够的，必須另闢蹊徑。

目前，散熱材料主要有三種，即：導熱矽脂、散熱石墨片、無機奈米粒子-高分子複合散熱材料。導熱矽脂是高分子材料，熱阻抗大，無論水平還是垂直方向都不利於散熱，散熱石墨片具有獨特的晶粒取向，片層狀結構可很好地適應任何表面，沿水平和垂直方向均勻導熱，熱阻抗小、能够屏蔽熱源，但是散熱石墨片的加工性(高溫、高壓定型)和應用性(石墨片脆)比較差，不利於應用。

而無機奈米粒子-高分子複合散熱材料主要由高分子材料和散熱填料(主要由碳材料、金屬或陶瓷等組成)，散熱塗層材料的顆粒大小和體積分數都影響本體的熱導率。目前市面上的散熱塗層材料中的散熱填料主要是石墨，碳奈米管等；然而上述散熱填料與高分子材料的相容性較差，並且奈米散熱材料易於聚集，這都嚴重影響了其導熱效果以及穩定性。

散熱材料通常由高分子材料和散熱填料(金屬或陶瓷)組成，散熱材料的顆粒大小和體積分數影響本體的熱導率，本發明採用雙功能大分子改性劑進行表面修飾，通過在無機散熱奈米材料表面進行選擇性的吸附、接枝雜化反應，在奈米散熱材料的表面形成酯鍵、矽氧鍵、氫鍵等配位自組裝行為以控制散熱奈米材料的界面性能，有效控制散熱材料的粒徑大小、以期獲得具有高散熱性能的散熱材料，本散熱材料採用水作為奈米材料分散介質、水性高分子樹脂作為基材是一種綠色環保材料。

本發明實施例的目的在於提供一種無機散熱奈米材料水性漿料、含有上述無機散熱奈米材料水性漿料的的散熱材料及上述材料的其製備方法，本發明採用如下技術方案：

一種無機散熱奈米材料水性漿料，包括下述重量份的組分：

無機散熱奈米材料　10-25重量份；

雙功能大分子改性劑　0.5-20重量份；

溶劑　50-100重量份。

較佳地，所述無機散熱奈米材料選自由中空碳、石墨烯、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氮化硼、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈹、二氧化釩、銅粉、鋁粉、氧化鋯、氧化鈮所組成的群組之一或其組合，其粒徑範圍較佳為50-200奈米之間，更佳為50-100奈米之間。

較佳地，所述的雙功能大分子改性劑為：聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有機矽烷。

本發明上述無機散熱奈米材料水性漿料的製備是通過調整溶劑介質的pH值，聚合物分子鏈的長度以及官能團，使其在無機散熱奈米材料表面進行選擇性的吸附與接枝雜化反應，在無機散熱奈米材料的表面形成矽氧鍵、酯鍵；氫鍵等分子識別作用，可提高無機散熱奈米材料之間相容性和體系分散穩定性，獲得分散穩定的無機散熱奈米材料漿料。上述無機散熱奈米材料漿料的製備方法如下：先稱取10-25克重量份的無機散熱奈米材料置於50-100克溶劑中9，調節溶劑介質的pH值7-10，然後以2-4ml/分鐘的速度滴加0.5-20克重量份的雙功能大分子改性劑，在室溫下攪拌或超音波攪拌10分鐘-3小時至分散均勻；再在室溫-60℃反應2-6h，然後超高壓奈米均質機分散30-120分鐘、超音波分散30-90分鐘，即可得到分散均勻的無機散熱奈米材料漿料。

本發明還提供了一種含有上述無機散熱奈米材料水性漿料的新型散熱材料，其包括下述重量份的組分：

無機散熱奈米材料漿料　10-30重量份

水性高分子樹脂　40-80重量份

助劑　0.5-5重量份

稀釋劑　5-20重量份

其中，無機散熱奈米材料水性漿料的固含量較佳為10-30%，進一步較佳為10-20%，最佳為15-20%。

所述水性樹脂係選自由水性丙烯酸樹脂、水性聚氨酯樹脂、水性苯丙樹脂、水性矽丙樹脂、水性有機矽樹脂、高溫固化型水性有機矽樹脂、水性丙烯酸改性聚氨酯樹脂、水性聚氨酯改性丙烯酸樹脂所組成的群組之一或其組合。

所述的助劑係選自由增稠劑、流平劑、消泡劑、防凍劑、成膜助劑、潤濕劑所組成的群組之一或其組合。

其中，流平劑較佳為丙烯酸共聚物；消泡劑較佳為聚矽氧烷化合物或改性聚矽氧烷化合物；成膜助劑較佳為乙二醇單丁醚/二丙二醇丁醚混合物或醇酯化合物；增稠劑較佳為羥基丙烯酸分散液；所述的稀釋劑為乙二醇丁醚、二縮二乙二醇丁醚等。

上述散熱材料的製備方法，其製備步驟包括：先稱取40-80重量份的樹脂，加入20-40重量份的稀釋劑，調節pH值7-8，然後依次加入10-30重量份的無機散熱奈米材料漿料，在機械攪拌下以0.5-2.5ml/min滴加入上述溶液中，攪拌10-90min至勻相，而後加入0.5-5重量份的助劑獲得混合液，攪拌均勻即得散熱材料。

本發明更提供一種採用前述散熱材料的散熱結構，其包括：一第一基材；一第一散熱層，形成於該第一基材之一面，該第一散熱層係由如申請專利範圍第6項所述之散熱材料所組成；以及一膠層，形成於該第一基材相對於該第一散熱層之另一面。

較佳地，前述散熱結構更包括貼附有一底紙於該膠層上。

較佳地，前述散熱結構更包括一第二基材及一第二散熱層，該第二散熱層係形成於該第二基材上，且該第二基材係透過該膠層黏合該第一基材。

本發明的優點在於，散熱材料中添加的無機散熱奈米材料是採用雙功能大分子改性劑進行表面修飾的，通過調整雙功能大分子改性劑的結構、親疏水性、分子鏈段的長短，使其在無機散熱奈米材料表面進行選擇性的吸附與接枝雜化反應，在奈米散熱材料的表面形成矽氧鍵、酯鍵與氫鍵等配位自組裝行為控制無機散熱奈米材料的界面性能，可提高無機散熱奈米材料之間相容性和體系分散穩定性，以期獲得具有獨特的散熱性能的無機散熱奈米材料，除此之外，由於無機散熱奈米材料在塗層材料在成膜過程中呈矩陣結構排列，在塗層上體現出奈米製品在機械性能、玻璃化轉變溫度、拉伸强度等的卓越性能，本發明散熱塗層材料不僅能有效散熱，還可以提高電子元器件的壽命。

實施例1：

本實施例中，所述無機散熱奈米材料水性漿料，採用聚乙烯醇作為雙功能大分子改性劑，在奈米碳管的奈米材料表面形成的酯鍵、氫鍵獲得穩定分散的水性漿料；該水性漿料的固含量為25%，散熱奈米碳的粒徑大小均在50-100nm，其組分及重量份如下：

散熱奈米材料：奈米碳管(CN)　15

去離子水　75

聚乙烯醇(M_W=2000)　10

樣品1：

先稱取15g奈米碳管放入75g的水中，調整pH為9，在攪拌條件下，以2ml/分鐘的速度將10g的聚乙烯醇(M_W=2000)滴加上述水溶液中，在室溫下攪拌或超音波10分鐘-12小時至分散均勻；然後在60℃條件下反應2h，超高壓奈米均質機分散30min、超音波分散90分鐘，得到分散均勻的的無機散熱奈米材料水性漿料；

樣品2：

使用小分子改性劑OP-10替代樣品1製備方法中的聚乙烯醇(M_W=2000)，其它步驟與樣品1的製備方法相同。

樣品1與樣品2粒度分布圖分別見圖1和圖2，其比較詳見圖3，從圖3中可見樣品1的分散穩定性明顯好於樣品2，並且樣品1的平均動態粒徑為84nm，樣品2的平均動態粒徑為162nm；通過對數據比較，採用雙功能大分子改性劑與一些具有散熱性能的奈米材料進行配位自組裝，通過在奈米材料表面形成的矽氧鍵、氫鍵控制無機散熱奈米材料界面性能；這種方法製備的水性漿料分散性、穩定性好，散熱性能顯著增加。

實施例2：

所述無機散熱奈米材料水性漿料，採用聚醚改性有機矽作為雙功能大分子改性劑，在奈米碳管的奈米材料表面形成的酯鍵、氫鍵獲得穩定分散的水性漿料；該水性漿料的固含量為25%，散熱奈米碳的粒徑大小均在50-100nm，其組分及重量份如下：

散熱奈米材料：奈米碳管(CN)　15

去離子水　75

聚醚改性有機矽烷(M_W=500)　10

具體製備步驟同實例1中樣品1的製備方法。

實施例3：

所述無機散熱奈米材料水性漿料，採用聚乙二醇作為雙功能大分子改性劑，在奈米碳管的奈米材料表面形成的酯鍵、氫鍵獲得穩定分散的水性漿料；該水性漿料的固含量為25%，散熱奈米碳的粒徑大小均在50-100nm，其組分及重量份如下：

散熱奈米材料：奈米碳管(CN)　15

去離子水　75

聚乙二醇(M_W=200)　10

具體製備步驟同實施例1中樣品1的製備方法。

實施例4：

本發明所述的散熱材料是將製備的分散均勻的的無機散熱奈米材料水性漿料、樹脂、塗料助劑及稀釋劑等攪拌均勻製得散熱材料，其各組分重量份如下：

材料1

首先稱取60g水性樹脂，在攪拌條件下加入10g的稀釋劑，調節pH值為7-8，然後依次將40g的實施例1中樣品1的奈米碳管漿料，在機械攪拌下以1.5ml/min滴加入上述溶液中，攪拌均勻，而後加入10g的助劑，攪拌均勻，超音波、過濾即得新型散熱材料1。

材料2

首先稱取60g水性樹脂，在攪拌條件下加入30g的稀釋劑，調節pH值為7-8，然後依次將40g的實施例1中樣品1的奈米碳管漿料在機械攪拌下以1.5ml/分鐘的速度滴加入上述溶液中，攪拌均勻，而後加入10g的助劑，攪拌均勻，超音波、過濾即得新型散熱材料3。

材料3

首先稱取60g水性樹脂，在攪拌情况下加入10g的稀釋劑，調節pH值為7-8，然後將40g的實施例1中樣品1的奈米碳管漿料和10克奈米鋁粉水性漿料在機械攪拌下以1.5ml/min滴入上述溶液中，攪拌均勻，而後加入10g的助劑，攪拌均勻，超音波、過濾即得新型散熱材料3。

材料4

首先稱取60g水性樹脂，在攪拌情况下加入10g的稀釋劑，調節pH值為7-8，然後將40g的實施例1中樣品2的奈米碳管漿料和10克奈米碳化矽水性漿料在機械攪拌下以1.5ml/min滴入上述溶液中，攪拌均勻，而後加入10g的助劑，攪拌均勻，超音波、過濾即得新型散熱材料2。

不同散熱材料製備的的材料1、材料2、材料3與材料4的散熱性能比較詳見表一。

從表一中可見，由採用聚乙烯醇對CN的表面進行改性的樣品1製備新型散熱(材料1)的散熱性能優於採用OP-10改性的CN，製備的散熱材料(材料2)，例如：加熱90min時，材料1與材料2的熱源溫度相差1.5℃左右，說明雙功能大分子改性劑對CN的改性效果好；材料1與材料3、材料4的不同之處在於，材料3添加了改性的奈米鋁粉水性漿料，材料4中添加了改性的奈米碳化矽粉水性漿料，加熱90min時，材料3、材料4與熱源相比溫差達到9.4℃與8.8℃，說明通過雙功能大分子改性的無機散熱材料，製備的散熱具有良好的散熱性能。

實 施例5：

使用實例2製備的無機散熱奈米材料水性漿料替代實施例1中樣品1的水性漿料，其它步驟與實例4中材料1的製備方法相同，製得具有良好的散熱能力散熱材料。

實施例6：

使用實例3製備的無機散熱奈米材料水性漿料替代實施例1中樣品1的水性漿料，其它步驟與實例4中材料1的製備方法相同，製得具有良好的散熱能力散熱材料。

實施例7：散熱結構(一)

利用前述散熱材料，可製成不同的散熱結構。如第4圖所示，本實施例揭露一種散熱結構100，其包括：一第一散熱層1、一第一基材2、一膠層3及一底紙4，其中第一散熱層1形成於第一基材2之一面，膠層3形成於第一基材2相對於第一散熱層1之另一面。第一散熱層1係由上述的散熱材料所組成，其所包括之重量份及組分如前所述，在此不再重複說明。本實施例所述的散熱結構100在實際應用上可以是一種散熱膠帶，或其他用於導熱(散熱)之具體結構。

實 施例8：：散熱結構(二)

本實施例中，另揭露一種類似夾心式且具有兩層散熱層的散熱結構。如第5圖所示，散熱結構200包括：一第一散熱層1a、一第二散熱層1b、一第一基材2a、一第二基材2b及一膠層3，其中第一散熱層1a形成於第一基材2a之一面，第二散熱層1b係形成於第二基材2b上，且第二基材2b係透過膠層3黏合第一基材2a。第一散熱層1a、第二散熱層1b係由上述的散熱材料所組成，其所包括之重量份及組分如前所述，在此不再重複說明。本實施例所述的散熱結構200在實際應用上可以是一種散熱片，或其他用於導熱(散熱)之具體結構。

由以上實施例可知，本發明所提供之散熱材料、散熱結構及其製備方法確具產業上之利用價值，惟以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之精神及以下所界定之專利範圍中。

100、200．．．散熱結構

1、1a、1b．．．第一散熱層

2、2a、2b．．．第一基材

3．．．膠層

4．．．底紙

第1圖為本發明實施例1樣品1粒度分布圖；

第2圖為本發明實施例1樣品2粒度分布圖；

第3圖為實施例1中樣品1與樣品2的新型散熱材料分散穩定性譜圖；

第4圖為散熱結構(一)之剖視圖；

第5圖為散熱結構(二)之剖視圖。

Claims (28)

1. 一種無機散熱奈米材料水性漿料，其包括下述重量份的組分：10-25重量份的無機散熱奈米材料；0.5-20重量份的雙功能大分子改性劑；以及50-100重量份的溶劑。
2. 如申請專利範圍第1項所述的無機散熱奈米材料水性漿料，其中該無機散熱奈米材料係選自由中空碳、石墨烯、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氮化硼、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈹、二氧化釩、銅粉、鋁粉、氧化鋯、氧化鈮中所組成的群組之一或其組合，其粒徑範圍較佳為50-200奈米之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的無機散熱奈米材料水性漿料，其中該無機散熱奈米材料之粒徑範圍更佳為50-100奈米之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的無機散熱奈米材料水性漿料，其中該雙功能大分子改性劑係選自由聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有機矽烷類聚合物所組成的群組之一或其組合，其平均分子量較佳為1000-100000。
5. 如申請專利範圍第4項所述的無機散熱奈米材料水性漿料，其中該雙功能大分子改性劑之平均分子量更佳為10000-50000。
6. 一種散熱材料，其包括下述重量份的組分：10-30重量份的如申請專利範圍第1項所述之無機散熱奈米材料水性漿料；40-80重量份的水性高分子樹脂；0.5-5重量份的助劑；以及5-20重量份的稀釋劑。
7. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該無機散熱奈米材料係選自由中空碳、石墨烯、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氮化硼、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈹、二氧化釩、銅粉、鋁粉、氧化鋯、氧化鈮中所組成的群組之一或其組合，其粒徑範圍較佳為50-200奈米之間。
8. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該無機散熱奈米材料之粒徑範圍更佳為50-100奈米之間。
9. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該雙功能大分子改性劑係選自由聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有機矽烷類聚合物所組成的群組之一或其組合，其平均分子量較佳為1000-100000。
10. 如申請專利範圍第9項所述的散熱材料，其中該雙功能大分子改性劑之平均分子量更佳為10000-50000。
11. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該無機散熱奈米材料漿料的固含量較佳為10-40%。
12. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該無機散熱奈米材料漿料的固含量進一步較佳為10-30%。
13. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該無機散熱奈米材料漿料的固含量最佳為20-30%。
14. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該樹脂係選自由丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂、苯丙樹脂、矽丙樹脂、有機矽樹脂、高溫固化型有機矽樹脂、丙烯酸改性聚氨酯樹脂、聚氨酯改性丙烯酸樹脂所組成的群組之一或其組合。
15. 如申請專利範圍第6項所述的散熱材料，其中該助劑係選自由增稠劑、流平劑、消泡劑、防凍劑、成膜助劑、潤濕劑所組成的群組之一或其組合。
16. 如申請專利範圍第15項所述的散熱材料，其中該流平劑較佳為丙烯酸共聚物；該消泡劑較佳為聚矽氧烷化合物或改性聚矽氧烷化合物；該成膜助劑較佳為乙二醇單丁醚/二丙二醇丁醚混合物或醇酯化合物；該增稠劑較佳為羥基丙烯酸分散液；該稀釋劑較佳為乙二醇丁醚或二縮二乙二醇丁醚。
17. 一種如申請專利範圍第1項所述之無機散熱奈米材料水性漿料的製備方法，其步驟包括：先稱取10-25克重量份的無機散熱奈米材料置於50-100克之溶劑介質中，調節溶劑介質的pH值7-10，以2-4ml/分鐘的速度滴加0.5-20克重量份的雙功能大分子改性劑，在室溫下攪拌或超音波攪拌10分鐘-3小時至分散均勻；再於室溫-60℃反應2-6h，然後超高壓奈米均質機分散30-120分鐘、超音波分散30-90分鐘，即可得到分散均勻的該無機散熱奈米材料漿料。
18. 一種如申請專利範圍第6項所述之散熱材料的製備方法，其製備步驟為：先稱取40-80重量份的樹脂，加入20-40重量份的稀釋劑，調節pH值7-8，然後依次加入10-30重量份的無機散熱奈米材料漿料，在機械攪拌下以0.5-2.5ml/min滴加入上述溶液中，攪拌10-90min至勻相，而後加入0.5-5重量份的助劑獲得混合液，攪拌均勻即得該散熱材料。
19. 一種散熱結構，其包括：一第一基材；一第一散熱層，形成於該第一基材之一面，該第一散熱層係由如申請專利範圍第6項所述之散熱材料所組成；以及一膠層，形成於該第一基材相對於該第一散熱層之另一面。
20. 如申請專利範圍第19項所述之散熱結構，更包括貼附有一底紙於該膠層上。
21. 如申請專利範圍第19項所述之散熱結構，更包括一第二基材及一第二散熱層，該第二散熱層係形成於該第二基材上，且該第二基材係透過該膠層黏合該第一基材。
22. 如申請專利範圍第19項所述的散熱結構，其中該無機散熱奈米材料係選自由中空碳、石墨烯、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氮化硼、氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈹、二氧化釩、銅粉、鋁粉、氧化鋯、氧化鈮中所組成的群組之一或其組合，其粒徑範圍較佳為50-200奈米之間。
23. 如申請專利範圍第19項所述的散熱結構，其中該無機散熱奈米材料之粒徑範圍更佳為50-100奈米之間。
24. 如申請專利範圍第19項所述的散熱結構，其中該雙功能大分子改性劑係選自由聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醚改性有機矽烷類聚合物所組成的群組之一或其組合，其平均分子量較佳為1000-100000。
25. 如申請專利範圍第24項所述的散熱結構，其中該雙功能大分子改性劑之平均分子量更佳為10000-50000。
26. 如申請專利範圍第19項所述的散熱結構，其中該無機散熱奈米材料漿料的固含量較佳為10-40%。
27. 如申請專利範圍第19項所述的散熱結構，其中該無機散熱奈米材料漿料的固含量進一步較佳為10-30%。
28. 如申請專利範圍第19項所述的散熱結構，其中該無機散熱奈米材料漿料的固含量最佳為20-30%。