本发明涉及涂料技术领域，更具体地，涉及一种石墨烯散热涂料及其制备方法。
背景技术：
散热涂料作为一种新型涂料，不仅具有装饰的基本功能，同时具有提高散热效率的作用，得到广泛的关注与研究。然而，目前市面上的绝大多数散热涂料均是采用价格昂贵的传热介质作为填料，生产工艺复杂，成本较高，不利于涂料的批量化生产与规模化应用。
石墨烯是一种由碳原子按照六边形进行排布并相互连接而成的碳分子，其结构非常稳定，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。石墨烯导热系数高达5000w/m·k，可以在涂料、电子、航天军工、新能源、新材料等领域得到广泛应用。因此，将石墨烯作为主要散热介质制备散热涂料成为研究热点。
然而，现有的石墨烯散热涂料中，由于石墨烯容易凝聚，导致其在涂料中分散不均匀，从而使得涂料的导电和导热性能不佳。为了减少石墨烯之间的凝聚，提高石墨烯在散热涂料中的稳定性，通常需要添加聚乙烯蜡、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮等化学制剂作为分散剂或表面活性剂，添加上述分散剂虽然能在一定程度上减少石墨烯之间的凝聚，但使用化学制剂在散热过程中挥发，危害人体和环境。同时，为了改善涂层色泽，提高涂层附着力，现有的石墨烯散热涂料还会添加具有有毒成分的着色剂、附着力促进剂，这些组分在散热过程中对人体和环境非常不利。
经检索发现，现有的石墨烯散热涂料中尚未见添加石墨烯量子点的报道。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种石墨烯散热涂料。所述石墨烯散热涂料中添加石墨烯量子点，有效减少石墨烯之间的凝聚，使其在涂料中分散均匀，进而提高涂料的导热散热性能，绿色环保。
本发明的另一目的在于提供一种石墨烯散热涂料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种石墨烯散热涂料，由石墨烯、成膜物质、助剂和溶剂组成，其各组分的质量份数组成为：石墨烯6～12份、脲醛树脂50～70份、助剂25～35份、石墨烯量子点12～30份、导热金属粉2～5份、碳纳米管3～6份和溶剂12～24份；
所述石墨烯量子点的尺寸为2～4nm；
所述助剂由5～8份固化剂、12～16份消泡剂和1～5份防氧化剂组成。
本发明提供的石墨烯散热涂料通过将石墨烯、碳纳米管和导热金属粉等导热材料的相互结合作用，热源产生的热量能够通过上述三者形成的导热网链迅速均匀地传导扩散到涂膜表面的石墨烯，表面石墨烯再迅速以对流、红外辐射的形式把热量散发出去，从而达到大幅度降低热源温度的效果。
本发明通过添加碳纳米管来改善散热涂料中导热填料混合性差的问题，其与脲醛树脂有着良好的结合界面，有利于其在树脂中的分散，能够提高其他助剂与树脂的相容性和亲和力，从而降低界面之间的接触热阻，提高导热系数。
进一步地，所述石墨烯散热涂料由以下重量份组分组成：石墨烯8～12份、脲醛树脂60～65份、助剂30～35份、石墨烯量子点18～30份、导热金属粉3～4份、碳纳米管3～5份和溶剂18～24份；
所述助剂由6～8份固化剂、12～15份消泡剂和2～4份防氧化剂组成。
更进一步地，所述石墨烯散热涂料由以下重量份组分组成：石墨烯9份、脲醛树脂65份、石墨烯量子点24份、导热金属粉3份、碳纳米管5份、溶剂20份、固化剂6份、消泡剂15份和防氧化剂2份。
进一步地，所述导热金属粉为铜粉、银粉和铝粉中任意一种，粒度为5～10μm。
进一步地，所述碳纳米管的纯度≥96wt％，灰分≤0.4wt％，比表面积约为100～200m2/g。
进一步地，所述固化剂为氯化铵、乙二胺和乙烯基三胺中任意一种。
进一步地，所述消泡剂为乳化硅油、有机硅氧烷、聚氧丙烯甘油醚中任意一种。
进一步地，所述溶剂为水、乙醇、异丙醇、丁酮中任意一种。
进一步地，所述防氧化剂为抗坏血酸和亚硫酸钠中任意一种。
一种上述石墨烯散热涂料的制备方法，包括以下步骤：
s1.将石墨烯量子点、石墨烯和溶剂在超声作用下进行混合研磨、剪切，超声功率为1000～1200w，时间为40～60min，得到复合浆体材料；
s2.向步骤s1制得的复合浆体中加入脲醛树脂、固化剂和碳纳米管后，进行搅拌，转速为1000～1200rpm，搅拌时间为2～4h，得到石墨烯散热浆料；
s3.在步骤s2得到的石墨烯散热浆料中加入导热金属粉、防氧化剂和消泡剂，充分搅拌，转速为1200～1500rpm，搅拌时间为2～3h，混合均匀后即得石墨烯散热涂料。
一种上述石墨烯散热涂料在日常电子产品以及航空、航天或军事领域的电子器件的应用。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的石墨烯散热涂料开创性地采用石墨烯量子点作为添加剂，相比现有的高分子表面活性剂和分散剂，不会引入新的杂质降低导热性能。同时，石墨烯量子点本身具有良好的导热性能，可以大幅度提高散热涂料的热辐射率，改善涂料的散热性能。在散热涂料中加入石墨烯量子点还能有效减少石墨烯之间的凝聚，提高石墨烯在散热涂料中的稳定性，使其在涂料中均匀分散，且在散热过程不会产生危害人体和环境的有害物质，绿色环保。
本发明以脲醛树脂作为成膜物质，将石墨烯、碳纳米管、导热金属粉等导热材料均匀分散于涂膜中，使得导热材料间形成接触和相互作用，体系内形成网状或链状结构形态，使得涂料形成导热网链，从而大幅度提高了涂料的导热散热性能。
本发明采用具有高热导率及红外辐射率的碳纳米管复配脲醛树脂，显著提高涂料的散热性能，同时脲醛树脂对碳纳米管具有很好的分散稳定性，保证了散热效率及涂料稳定性。
本发明提供的制备方法工艺简单，施工方便灵活，制备得到的石墨烯散热涂料具有导热散热效果优异、附着力好、涂膜强度高、绿色环保等特点。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法，所使用的设备为本领域常规设备。
实施例1
1、一种石墨烯散热涂料，由石墨烯、成膜物质、助剂和溶剂组成，所述成膜物质为脲醛树脂，其各组分的质量份数组成为：石墨烯6份、脲醛树脂50份、助剂25份、石墨烯量子点12份、导热金属粉5份、碳纳米管3份和溶剂12份；
其中，所述助剂由5份固化剂、16份消泡剂和1份防氧化剂组成；
所述石墨烯量子点的尺寸为2nm；所述导热金属粉为铝粉，粒度为5μm；所述碳纳米管的纯度≥96wt％，灰分≤0.4wt％，比表面积为100～200m2/g。
本实施例优选溶剂为丁酮，优选固化剂为氯化铵，优选消泡剂为乳化硅油，优选防氧化剂为抗坏血酸。
2、上述石墨烯散热涂料的制备方法如下：
s1.将石墨烯量子点、石墨烯和溶剂在超声作用下进行混合研磨、剪切，超声功率为1000w，时间为60min，得到复合浆体材料；
s2.向步骤s1制得的复合浆体中加入脲醛树脂、固化剂和碳纳米管后，进行搅拌，转速为1000～1200rpm，搅拌时间为2～4h，得到石墨烯散热浆料；
s3.在步骤s2得到的石墨烯散热浆料中加入导热金属粉、防氧化剂和消泡剂，充分搅拌，转速为1200～1500rpm，搅拌时间为2～3h，混合均匀后即得石墨烯散热涂料。
实施例2
1、一种石墨烯散热涂料，由石墨烯、成膜物质、助剂和溶剂组成，所述成膜物质为脲醛树脂，其各组分的质量份数组成为：石墨烯12份、脲醛树脂70份、助剂35份、石墨烯量子点30份、导热金属粉2份、碳纳米管6份和溶剂24份；
其中，所述助剂由8份固化剂、12份消泡剂和5份防氧化剂组成；
所述石墨烯量子点的尺寸为4nm；所述导热金属粉为银粉，粒度为10μm；所述碳纳米管的纯度≥96wt％，灰分≤0.4wt％，比表面积为100～200m2/g。
本实施例优选溶剂为乙醇，优选固化剂为乙二胺，优选消泡剂为有机硅氧烷，优选防氧化剂为亚硫酸钠。
2、上述石墨烯散热涂料的制备方法如下：
参照实施例1的制备方法，区别在于：步骤s1中，超声功率为1200w，时间为40min。
实施例3
1、一种石墨烯散热涂料，由石墨烯、成膜物质、助剂和溶剂组成，所述成膜物质为脲醛树脂，其各组分的质量份数组成为：石墨烯8份、脲醛树脂60份、助剂30份、石墨烯量子点18份、导热金属粉4份、碳纳米管4份和溶剂18份；
其中，所述助剂由6份固化剂、15份消泡剂和4份防氧化剂组成。
所述石墨烯量子点的尺寸为3nm；所述导热金属粉为银粉，粒度为6μm；所述碳纳米管的纯度≥96wt％，灰分≤0.4wt％，比表面积为100～200m2/g。
本实施例优选溶剂为异丙醇，优选固化剂为乙烯基三胺，优选消泡剂为聚氧丙烯甘油醚，优选防氧化剂为亚硫酸钠。
2、上述石墨烯散热涂料的制备方法如下：
参照实施例1的制备方法，区别在于：步骤s1中，超声功率为1100w，时间为50min。
实施例4
1、一种石墨烯散热涂料，由石墨烯、成膜物质、助剂和溶剂组成，所述成膜物质为脲醛树脂，由以下重量份组分组成：石墨烯9份、脲醛树脂65份、石墨烯量子点24份、导热金属粉3份、碳纳米管5份、溶剂20份、固化剂6份、消泡剂15份和防氧化剂2份；
所述石墨烯量子点的尺寸为3nm；所述导热金属粉为铜粉，粒度为8μm；所述碳纳米管的纯度≥96wt％，灰分≤0.4wt％，比表面积为100～200m2/g。
本实施例优选溶剂为水，优选固化剂为氯化铵，优选消泡剂为乳化硅油，优选防氧化剂为抗坏血酸。
2、上述石墨烯散热涂料的制备方法如下：
参照实施例1的制备方法，区别在于：步骤s1中，超声功率为1100w，时间为50min。
对比例1
本对比例提供一种石墨烯散热涂料，与实施例4的不同之处在于，所述石墨烯散热涂料由以下重量份组分组成：石墨烯9份、脲醛树脂65份、导热金属粉3份、碳纳米管5份、溶剂20份、固化剂6份、消泡剂15份和防氧化剂2份。
对比例2
本对比例提供一种石墨烯散热涂料，与实施例4的不同之处在于，所述石墨烯散热涂料由以下重量份组分组成：石墨烯9份、脲醛树脂65份、石墨烯量子点24份、导热金属粉3份、溶剂20份、固化剂6份、消泡剂15份和防氧化剂2份。
对比例3
本对比例提供一种石墨烯散热涂料，与实施例4的不同之处在于，所述石墨烯散热涂料由以下重量份组分组成：石墨烯9份、脲醛树脂65份、石墨烯量子点24份、碳纳米管5份、溶剂20份、固化剂6份、消泡剂15份和防氧化剂2份。
理化性质测试
对实施例1～4以及对比例1～3的石墨烯散热涂料的热导率、附着力、红外辐射率和硬度等理化性质进行检测，其中，热导率参照gb/t3651-2008进行检测，附着力参照gb/t9286-98采用百格测试仪进行检测，红外辐射率参照国际认可astmc1371标准进行检测，硬度参照gb/t6739-1996，具体检测结果见表1。
表1理化性质测试结果
本发明提供的石墨烯散热涂料，采用石墨烯量子点作为添加剂，相比现有的高分子表面活性剂和分散剂，不会引入新的杂质降低导热性能。同时，石墨烯量子点本身具有良好的导热性能，可以大幅度提高散热涂料的热辐射率，改善涂料的散热性能。在散热涂料中加入石墨烯量子点还能有效减少石墨烯之间的凝聚，还能提高石墨烯在散热涂料中的稳定性，使其在涂料中均匀分散，且在散热过程不会产生危害人体和环境的有害物质，绿色环保。
本发明采用具有高热导率及红外辐射率的碳纳米管复配脲醛树脂，显著提高涂料的散热性能，同时脲醛树脂对碳纳米管具有很好的分散稳定性，保证了散热效率及涂料稳定性。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺步骤，本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。