TWI530248B - 熱輻射材料 - Google Patents

Description

熱輻射材料

本發明係關於一種熱輻射材料，特別是關於兼具良好導熱率及放射率之熱輻射材料。

對於電子零件、發光二極體(LED)燈具或其他發熱元件而言，在某些應用場合中，因受限於週遭的溫度、環境、空間等因素，導致難以藉由傳導、對流等方式對外界散熱，而進而需考慮使用熱輻射的方式，以大幅度地將熱能向外界傳導。

以LED或相關燈具為例，LED具有尺寸小、易設計與低耗能的優點。但LED缺點在於LED點亮時會產生高熱，過高的溫度將造成LED的特性衰退。因此如何降低LED燈溫度，提升效率與壽命，已然成為相當重要的課題，又若將LED應用於崁燈、球泡燈時，燈具的外殼將進一步限制熱能向外傳送，導致LED在大功率、高亮度、小尺寸的應用受到限制。

要使用熱輻射方式將熱能向外界傳導可使用遠紅外線材料(Far-Infrared radiating material)。傳統上的遠熱輻射材料係包含氧化鋁、二氧化鈦、二氧化矽等陶瓷材料。惟，傳統輻射材料的導熱率不高，因此即便有良好的輻射放射率，在傳導和對流的熱逸散方面，無法產生良好的綜效，因而對於直接應用於高熱元件，例如LED元件，仍有一定的限制，而無法達到最佳效果。

物體在溫度為絕對零度（-273℃）以上時，其中電子會產生振動。這種振動隨溫度的升高而增加，這種振動使許多粒子發生衝撞，衝撞的結果使電子得到能量變成了激發的狀態，使外層電子提高到較高的能階，以致使它脫離了原來的軌道。但是，電子在這種能階上是不穩定的，幾乎隨時就有跳回到原來軌道上的趨勢，即從不穩定的較高能階回到原來的較低能階，電子每往回跳一次就會產生一個量子能，釋放出輻射能。對於具有高輻射能力的材料，輻射能以紅外線的形式輸出。因此，凡溫度高於絕對零度的任何物體，都會有紅外線輻射。隨著輻射體材質分子結構和溫度等諸條件的不同，其輻射波長也各不相同。在紅外線輻射波段中，當分子中的原子或原子團從高能量的振動狀態轉變到低能量的振動狀態時，會產生2.5~25μm的遠紅外輻射。如果輻射源是由分子的轉動特性改變所引起的輻射，則發生大於25μm的遠紅外輻射。實驗發現振動光譜的能量約為轉動光譜能量的100倍。因此在遠紅外的波長選擇中，2.5~25 μm的波段為高載能波，具有較好的應用價值。

就熱傳(heat transfer)機制而言，基本上包含傳導、對流及輻射三者。而在需要有效將熱逸散的高熱環境中，必須就將各種散熱機制作整體考量。例如在LED照明的應用方面，使用高導熱材料增加熱傳導，或於外罩結構採用散熱鳍片以增加熱對流等。本發明係考量各熱傳機制間的相互影響，以期達到綜合的最佳散熱效果。

本發明即利用遠紅外線特性揭示一種熱輻射材料。相較於傳統之熱輻射材料，本發明的熱輻射材料兼具良好的導熱率及輻射效率，提供熱逸散的綜效，而特別適合於高熱元件的應用。

本發明揭示一種熱輻射材料，或稱遠紅外線輻射材料，其中包含以下填料的組合物：二氧化鈦，重量百分比為10~45%；二氧化鋯，重量百分比為5~25%；氧化鎂，重量百分比為2~30%；稀土金屬氧化物，重量百分比為0.01~0.5%。其中該熱輻射材料的導熱率為0.34~1.5W/m-K，該熱輻射材料的在40 ^oC,4~14mm的紅外線光譜區的紅外線放射率大於等於88%。

一實施例中，前述熱輻射材料中之該等填料組合物係摻混於高分子聚合物中。該高分子聚合物的重量百分比約為10~75%。

一實施例中，該等填料的重量百分比總和在40~70%，且二氧化鈦和二氧化鋯的重量百分比總和在35%~60%。

一實施例中，該等填料的平均粒徑在0.1mm至30mm之間。

一實施例中，該稀土金屬氧化物包含氧化釔、氧化鑭、氧化釹或其混合物。

此外，按不同應用所需，前述熱輻射材料可另包含消泡劑、流平劑、偶合劑或其混合物。

為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，作詳細說明如下。

本發明之熱輻射材料使用P型與N型的陶瓷粉末，使該陶瓷粉末在受熱時能激發出紅外線。進一步言之，選擇能激發不同波段紅外線的陶瓷粉末，包括紅外線中波段至長波段(約7~20mm)可被激發的二氧化鈦粉末，二氧化鈦粉末同時具有反射紅外線的功能，短波段至中波段(7mm以下)可以被激發的二氧化鋯粉末。另外，使用氧化鎂填料為提升高分子摻混物的熱傳導率，使電子元件的熱能，能夠很快的加熱熱輻射材料，藉此快速提升熱輻射材料的溫度，以增加其對外的熱輻射效率。另外，使用稀土金屬填料(例如氧化釔、氧化鑭、氧化釹或其混合物)以降低陶瓷粉末激發能階。

下列粉末分別以於表1所示之配方混合而得到本發明之熱輻射材料，如實施例1~4，以及未添加氧化鎂的比較例。其中數據為佔填料的重量百分比。二氧化鈦粉(顆粒大小：0.1-0.3mm)；氧化鋯粉(顆粒大小約0.3 mm)；氧化鎂粉(顆粒大小：0.1-0.3mm)；氧化鑭粉(顆粒大小：約0.3 mm)；氧化釔粉(顆粒大小：約0.3mm)；氧化釹粉(顆粒大小：約0.3 mm)。 本發明的熱輻射陶瓷填料的粒徑可在0.1~30mm之間，或可為3mm、5mm、10mm或20mm。

50重量份之如表1所得之各種熱輻射材料與50重量份之高密度聚乙烯(HDPE)共同調配，並於200℃之樹脂溫度，於Haake製造的混練擠壓機器Haake-600中以60 rpm之轉速混鍊10分鐘而得丸粒。由各組成物之丸粒藉擠壓機製成薄片，及藉熱壓機由薄片生成厚1.5 mm之板。從如此所得之各板上切下尺寸為13mm×13mm之試驗件，於40℃之溫度利用紅外線輻射光譜儀(德國Bruker Optik GmpH公司製造之VERTEX 70FT-IR)測量其紅外輻射。在4~14 mm波長範圍之各次輻射測量值與在40℃黑色物體之理想輻射之比，算出各輻射效率R。

實際應用上，摻混熱輻射填料的高分子聚合物可包含熱固型樹脂及/或熱塑型塑膠。熱固型樹脂包含：壓克力樹脂(Acrylic)、環氧樹脂(Epoxy)、酚醛樹脂(phenolic resins)、不飽和聚酯樹脂(unsaturatedpolyester)、聚胺酯 (Polyurethane)。熱塑型樹脂包含：聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚對苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate，PBT)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene，ABS)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚乙烯醇 (Polyvinylalcohol，PVA)、聚醚醚酮(Polyetheretherketone，PEEK)、多聚甲醛(Polyoxymethylene，POM)、聚碸(Polysulfone，PSF)、聚醚碸(Polyethersulfone，PES)、聚苯乙烯(Polystyrene、PS)、聚氧化二甲苯(Polyphenylene oxide，PPO)、聚氨酯(Polyurethane，PU)、聚醯胺(Polyamide，PA)、聚亞醯胺(Polyimide，PI)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide，PEI)、聚醚醯亞胺與矽酮之塊體共聚合物(Polyetherimide/siliconeblock copolymer)、苯氧基樹脂(Phenoxy resin)、聚酯樹脂(Polyester resin)、壓克力樹脂(Acrylicresin)。[表1] 比較例1比較例2實施例1實施例2實施例3實施例4TiO 2553055505050ZrO 2452040403525MgO-505101525Y 2O 30.10.10.10.1-0.1La 2O 30.10.1-0.10.10.1Nd 2O 30.10.10.1-0.10.1導熱率K (W/m-K)0.320.80.340.490.540.64熱阻R (K/W)0.4870.1940.4320.3150.2810.244放射率 (%)87.185.588.590.392.193.8

由表1可知，在所有的實施例中，實施例4具有較高的導熱率和放射率。比較例1未添加氧化鎂，其導熱率和放射率都較低。比較例2雖然大幅提高氧化鎂的比例，但相對減少二氧化鈦和二氧化鋯的比例。因此雖然導熱率可大幅提高，但放射率卻有降低的現象。表2係大致上根據實施例4調整不同的熱輻射材料和高分子聚合物的重量比例之實驗結果。其中成分數據為重量百分比。[表2] 實施例4實施例5實施例6聚合物507015TiO 2251542.5ZrO 212.57.521.3MgO12.57.521.3Y 2O 30.10.10.1La 2O 30.10.10.1Nd 2O 30.10.10.1導熱率K (W/m-K)0.640.341.2熱阻R (K/W)0.2440.5010.129放射率 (%)93.888.195.5

由表2之實施例5可知，當熱輻射材料的比例降低時，即高分子聚合物比例增加時，導熱率和放射率都會降低。相對地，由實施例6可知，當熱輻射材料的比例增加時，即高分子聚合物比例減少時，導熱率和放射率都會增加。但必須注意的是，當熱輻射材料的比例增加時，將使得材料較脆，因此必須應用於較無需考慮脆性的場合。該等填料的重量百分比總和以在40-70%為佳(高分子聚合物約30~60%)，且此時二氧化鈦和二氧化鋯的重量百分比總和在35%~60%，如此可同時兼顧材料的機械特性、導熱率和輻射放射率。

上述表1和表2的實施例僅為例示，在實際應用上，聚合物的重量百分比約在10~75%，或特別為約25%、35%、45%或55%；二氧化鈦的重量百分比約在10~45%，或特別為約20%、30%或40%；二氧化鋯的重量百分比約在5~25%，或特別為10%、15%或20%；氧化鎂的重量百分比約為2~30%，或特別為約5%、10%或20%。

由表1和表2可知，本發明實施例之熱輻射材料的輻射率R均可達88%或90%以上，甚至可達約95%。添加氧化鎂的實施例將有效增加其導熱率至0.34~1.5W/m-K，或較佳為0.5~1W/m-K。在表1中，特別是當氧化鎂的重量百分比增加至7%以上時，導熱率大於0.5W/m-K。本發明之熱輻射材料之導熱率也可以是0.6W/m-K、0.8W/m-K、1.0W/m-K或1.2W/m-K。實施例1~6相對的熱阻約在0.1~0.6K/W，其亦可為0.2 K/W、0.3 K/W、0.4 K/W或0.5 K/W。

本發明之熱輻射材料加入氧化鎂後，可有效增加導熱率，在適當的比例下甚至可提高紅外線放射率（例如實施例1~4）。本發明之熱輻射材料同時考慮輻射放射率和導熱率的綜效，且必要時一併考慮機械性質。

以下將本發明實施例4之熱輻射材料塗佈於LED球炮燈具表面，並與未塗佈者進行光通量和光效率的比較，並整理如表3所示。由表3可知，有塗佈熱輻射材料者，可有效增加LED燈具的光通量及其光效率。[表3] 光通量 (lm)光效率 (lm/W)無塗佈69567有塗佈73171

綜上，本發明選擇能激發不同波段紅外線的二氧化鈦粉末和二氧化鋯粉末，且使用氧化鎂填料為提升高分子摻混物的導熱率，使電子元件的熱能，能夠很快的加熱熱輻射材料，藉此快速提升熱輻射材料的溫度，以增加其對外的熱輻射效率，且具有良好的傳導和輻射的散熱效果。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

無

無

無

Claims (9)

1. 一種熱輻射材料，包含以下填料之組合物：二氧化鈦，重量百分比為10~45%；二氧化鋯，重量百分比為5~25%；氧化鎂，重量百分比為2~30%，用以增加該熱輻射材料的導熱率；以及稀土金屬氧化物，重量百分比為0.01~0.5%，用以降低該二氧化鈦和二氧化鋯的激發能階；其中該熱輻射材料的導熱率為0.34~1.5W/m-K；其中該熱輻射材料在40℃,4~14μm的紅外線光譜區的紅外線放射率大於等於88%；其中前述填料之組合物中包含P型與N型的陶瓷粉末，使該陶瓷粉末在受熱時能激發紅外線。
2. 根據請求項1之熱輻射材料，其中該等填料係摻混於高分子聚合物中。
3. 根據請求項2之熱輻射材料，其中該高分子聚合物的重量百分比為10~75%。
4. 根據請求項1之熱輻射材料，其中該等填料的重量百分比總和在40~70%，且二氧化鈦和二氧化鋯的重量百分比總和在35%~60%。
5. 根據請求項1之熱輻射材料，其中該等填料的平均粒徑在0.1μm至30μm之間。
6. 根據請求項1之熱輻射材料，其中該稀土金屬氧化物包含氧化釔、氧化鑭、氧化釹或其混合物。
7. 根據請求項1之熱輻射材料，其中該熱輻射材料的熱阻為0.1~0.6K/W。
8. 根據請求項1之熱輻射材料，其中該熱輻射材料的導熱率為0.5~1W/m-K。
9. 根據請求項2之熱輻射材料，其另包含消泡劑、流平劑、偶合劑或其混合物。