一种高导热绝缘水性涂料的制作方法

本发明涉及水性涂料的
技术领域：
，具体涉及一种高导热绝缘水性涂料。
背景技术：
：随着电子器件逐步向小型化、轻量化和高性能化方向发展，功率密度不断增加，单位体积发热量也越来越大，严重影响器件的工作性能、使用可靠性和寿命，如何实现高效散热，日益成为高功率电子器件发展与应用的突破口。传统的散热方法(如翅片技术、对流换热以及风冷等方法)已经难以满足目前严苛标准下的散热要求(器件小型化使传统散热方法变得失效)。近期，科研人员将涂层技术应用于电子器件散热，获得了良好的效果。由于涂层技术不仅较好地满足了电子设备便携、轻质以及美观等要求且散热效果显著，因而在电子散热领域发展迅猛，形成了逐步取代传统散热方法的趋势。此外，涂层还具有良好的防腐、绝缘、防潮等功能，其中水性涂料的优势则更为突出，且兼具环境友好的特性，符合绿色发展的时代背景。但水性涂料本身的导热性能不能满足电子器件的散热要求，需要进一步改善其导热性能。如公开号为cn104693968a的中国专利文献中公开了一种高导热散热涂料及其制备方法，该高导热散热水性涂料包括水性树脂、填料及功能添加剂，填料由石墨烯、碳纳米管、氧化石墨、富勒烯、碳纳米笼的其中一种或多种组成。该技术方案利用高热导率和辐射率的碳材料作为主要散热介质和传热提供通道，将其均匀分散在水性树脂中制备成涂料，热量传导到涂料上，涂料再把热量散发到空间中，以提升散热效果。又如公开号为cn105153906a的中国专利文献中公开了一种水性聚氨酯功能涂料及其制备方法，该涂料基本组成及重量百分比为：水性聚氨酯基体树脂10-40％、水溶性丙烯酸树脂1-10％、纳米碳材料1-5％、硅溶胶0.1-5％、分散剂0.5-2％、润滑剂0.1-5％、流平剂0.1-5％、乙二醇丁醚1-20％、正丁醇0.1-10％、乙醇0.1-10％，其余为水；纳米碳材料包括碳纳米管和/或石墨烯材料。该水性涂料可实现纳米碳材料高体积含量添加，实现对涂层导电和导热性能的调控。以上技术方案均仅加入高导热的碳材料作为导热填料，但高导热的碳材料同时会对涂层的电绝缘性造成损失且成本相对高昂。目前，人们一般通过一种或多种高导热填料的复合来实现高导热。如公开号为cn106336759a公开了一种水性丙烯酸酯类导热涂料及其制备方法，该导热涂料以丙烯酸酯共聚物乳液为基料，氧化铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳纳米管、石墨烯等具有高导热系数的无机粒子为导热填料。该技术方案的实施例1中采用的导热填料为粒径为9-11μm球形氧化铝与粒径为1.8-2.0μm类球形氧化铝按质量比为3：1混合，但制备得到的产品导热系数仅为0.95w/m·k；而实施例5和6中将导热填料分别替换为改性碳纳米管和改性石墨烯后，导热系数虽稍有提高，但仍不超过1.3w/m·k，同时仍无法避免因高导热的碳材料的加入对涂层的电绝缘性的影响。可见，人们在通过一种或多种高导热填料来形成导热通道，却忽视了填料尺寸和分布对涂料导热性能的影响，造成涂料的设计及制备存在盲目性。技术实现要素：本发明为解决上述技术问题，公开了一种高导热绝缘水性涂料，具有高导热、高绝缘性能，涂覆于电子器件表面可对电子器件进行及时而高效的散热，同时不降低其他物化性能。具体技术方案如下：一种高导热绝缘水性涂料，包括水性乳液与助剂，还包括高导热绝缘填料；所述高导热绝缘填料分为纳米级填料和微米级填料，所述纳米级填料与微米级填料的质量比为0.1～10：1；所述高导热绝缘填料至少包括氮化物。本发明对水性树脂体系进行了深入研究，利用导热填料的种类、以及特定尺寸和分布的复配产生的相互协同，制备得到了高导热绝缘水性涂料，在散热性能得到显著提高的同时，其他物化性能包括绝缘性能基本保持一致。本发明中，高导热绝缘填料采用两种分类方式，一种是通过填料的尺寸区分为纳米级填料和微米级填料，所述纳米级填料的尺寸为～100nm，微米级填料的尺寸为1～30μm；另一种是通过填料的元素组成区分为氮化物、氧化物和碳化物。两种分类方式互相独立，以其中的氮化物为例，可以同时采用纳米级的氮化物和微米级的氮化物。所述高导热绝缘填料体系，还包括氧化物和/或碳化物；优选地，所述氮化物选自氮化铝、氮化硼、氮化硅中的至少一种；所述氧化物选自氧化铝、氧化硅、氧化锌、氧化镁中的至少一种；所述碳化物选自碳化硅、碳化硼、碳化锆中的至少一种。为保证高导热性能的同时不会导致其他物化性能的劣化，优选地，按质量百分比计，所述高导热绝缘填料中，氮化物占比为37.5～80％。进一步优选，所述纳米级填料与微米级填料的质量比为1.5～9：1，再优选，所述纳米级填料的尺寸为50～100nm，微米级填料的尺寸为1～5μm。经试验发现，本发明的高导热绝缘填料中，纳米级填料与微米级填料的质量比以及两者的尺寸范围对于最终制备的涂层的各项性能起到至关重要的作用，当超出上述优选范围内，将很难保证高导热性能的同时不会导致其他物化性能的劣化。优选地，按质量百分比计，所述高导热绝缘水性涂料的原料组成包括：水性乳液10～85％；高导热绝缘填料2～55％；助剂2～45％。所述水性乳液包括水性环氧树脂、水性聚氨酯、水性醇酸树脂、水性硅树脂、水性氟树脂中的至少一种。在不影响水性涂料的性能的前提下，可根据具体需求加入不同助剂，具体的，所述助剂包括成膜助剂、流平剂、抗氧剂、分散剂、消泡剂、增稠剂、消光剂、缓蚀剂、防结皮剂、ph调节剂中的至少一种。将上述各原料共混后即为高导热绝缘水性涂料，再将该涂料涂覆于基材上，经干燥后即可获得高导热绝缘涂层。直接涂覆于电子元件表面即可实现电子元件的散热；还可通过涂布铜箔或铝箔，制成相应的高导热纳米铜箔散热片。与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、本发明公开的高导热绝缘水性涂料，以水为分散介质，几乎不产生挥发性有机物。相比其他溶剂型涂料，具有无毒、环境友好、节能以及安全可靠等优点；2、将本发明公开的高导热绝缘水性涂料涂布于基材表面形成高导热、高热辐射性的纳米散热层，当热量传递至纳米散热层后，迅速扩散且部分转换为热辐射，从而实现高效散热；同时基于涂层中纳米粒子的高比表面积显著增加了有效传热面积，对散热性能的提高也发挥了重要作用；更重要的是，本发明公开的高导热绝缘水性涂料，采用复配的高导热填料体系，通过对填料尺寸和分布对水性涂料导热性能的深入研究，利用导热填料的种类、以及特定尺寸和分布的复配产生的相互协同，制备得到了高导热绝缘水性涂料，在散热性能得到显著提高的同时，其他物化性能包括绝缘性能基本保持一致；3、基于高导热绝缘水性涂料的易加工性、应用温度宽阔、厚度可控、环保、表面绝缘等诸多优越特性，可对智能手机、计算机、电视、led以及机电等电子、电器设备中高发热部位进行高效散热，具有非常可观的市场前景。附图说明图1为ptc发热元件未经处理，以及经不同处理方式下的温升曲线对比，其中，1-未经处理的ptc发热元件，2-贴铜箔的ptc发热元件，3-贴有涂覆有高导热绝缘水性涂料铜箔的ptc发热元件；图2为实施例1的高导热绝缘水性涂料制备散热涂层的sem照片；图3为以本发明的高导热绝缘水性涂料制备散热涂层的高效散热模型图。具体实施方式实施例1本实施例制备的高导热绝缘水性涂料，原料包括高导热绝缘填料、水性乳液以及助剂。高导热绝缘填料按重量百分比包括3％氮化铝(尺寸100nm)，0.5％氧化铝(尺寸2μm)，1.5％碳化硅(粒径50nm)；助剂按重量百分比包括4％成膜助剂、0.5％流平剂、1％抗氧化剂、1.5％分散剂、0.5％消泡剂、2％增稠剂、1％消光剂、0.5％缓蚀剂、0.5％着色剂以及0.5％ph调节剂；水性高分子乳液按重量百分比为83％水性聚氨酯。将上述各原料共混后即为高导热绝缘水性涂料，涂布于基材上，依据各项测试的要求进行制样，待测，各性能数据列于下表1中。性能测试1、导热系数基于德国耐驰公司netzschlfa447导热仪的测试要求，将各实施例制得的高导热绝缘水性涂料倒入模具，经烘干成膜后裁剪成直径为25.4mm、厚度≤0.1mm的圆片，待测，各实施例与对比例分别制备产品的导热系数列于上表1中。2、ptc发热元件(模拟热源)实测对比样品制备：将实施例1制得的高导热绝缘水性涂料涂布于铜箔(厚度45um)单侧表面，经烘干固化(涂层干膜厚度5μm)，裁成5cm*5cm尺寸，待测；对比样为相同尺寸和厚度的铜箔。且这两种样品背面均转贴同类双面胶。在相同条件下，将所测样品分别贴于相同ptc发热元件(理论稳定温度为100℃)的表面。通过美国extechsd200型三通道温度记录仪，监测不同处理条件下的ptc升温曲线。实验共分三组进行，分别为不做任何处理、贴铜箔以及贴涂有散热涂层的铜箔。图1中给出了ptc发热元件未经处理，以及经不同处理方式下的温升曲线对比，观察发现，未做任何处理的ptc发热元件，温度稳定值为98℃，与理论值基本一致；经铜箔处理后，ptc的散热能力明显提高，温度稳定值下降至90℃；而散热涂料处理后的铜箔，散热效果最佳，此时ptc元件的稳定发热温度只有93℃，对比单纯铜箔处理样的温差优势为7℃，说明散热涂层的存在可以大幅提升发热元件的散热性能。3、微观形貌观察基于日本岛津公司jsm-6700f场发射扫描电子显微镜的测试要求，将实施例1制得的高导热绝缘水性涂料，倒入模具，经烘干成膜后裁剪成厚度为5μm的干膜，并裁成5mm*5mm尺寸，镀金处理后进行表面形貌分析(电镜测试电压3kv；镀金处理时间40s、电流10ma)。图2中给出了以实施例1的高导热绝缘水性涂料制备散热涂层的sem照片，右上(b)和右下(d)分别对应不同放大倍数，左下(c)为散热涂层中复合填料的平均粒径及粒径分布情况，并给出纯铜箔左上(a)的sem照片作为对比。观察发现，纯铜箔表面形貌较为平滑，而散热涂层表面相对粗糙且分散均匀，复合填料(平均粒径约78.65nm)间交错排列形成导热通道。热量经本征导热性优良的铜箔传导后，基于特征尺寸和分布复合填料的高热导率和高热辐射系数，当热量传递至散热涂层后，迅速扩散并部分转换为热辐射，从而实现高效散热(模型效果见图3)。此外，纳米粒子的优越分散性所带来的高比表面积，大幅提高了有效传热面积，对散热性能的改善也发挥了重要作用。不可忽视的是，根据辐射传热和温度间的函数关系，热源温度越高，辐射散热效果越显著。可以预计，若将涂料用于热源温度更高的领域，可以获得更加卓越的散热效果。实施例2本实施例制备的高导热绝缘水性涂料，原料包括高导热绝缘填料、水性乳液以及助剂。高导热绝缘填料按重量百分比包括0.5％氮化硼(尺寸5μm)，1.5％氮化铝(尺寸50nm)，3％氧化铝(粒径100nm)；助剂按重量百分比包括4％成膜助剂、1％流平剂、1％抗氧化剂、1.5％分散剂、0.5％消泡剂、2％增稠剂、1％消光剂、0.5％防结皮剂以及0.5％ph调节剂；水性高分子乳液按重量百分比为83％水性环氧树脂。对比例1原料组成与实施例2类似，区别仅在于将高导热绝缘填料替换为5％氧化铝(尺寸30nm)，其他原料的组成与实施例1中相同。对比例2原料组成与实施例2类似，区别仅在于将高导热绝缘填料替换为5％氮化铝(尺寸30nm)，其他原料的组成与实施例1中相同。实施例3本实施例制备的高导热绝缘水性涂料，包括高导热绝缘填料、水性乳液以及助剂。高导热绝缘填料按重量百分比包括0.5％氧化铝(尺寸1μm)，1.5％氮化硼(尺寸50nm)，2％碳化硅(尺寸100nm)；助剂按重量百分比包括4％成膜助剂、1.5％流平剂、1％抗氧化剂、1.5％分散剂、0.5％消泡剂、2％增稠剂、2％消光剂以及0.5％缓蚀剂；水性高分子乳液按重量百分比为83％为水性氟树脂。实施例4本实施例制备的高导热绝缘水性涂料，包括高导热绝缘填料、水性乳液以及助剂。高导热绝缘填料按重量百分比包括1％氮化硼(尺寸1μm)，2％氮化铝(尺寸100nm)，1％碳化硅(粒尺寸1μm)，1％氮化硅(尺寸100nm)；助剂按重量百分比包括4％成膜助剂、0.5％流平剂、1％抗氧化剂、2％分散剂、0.5％消泡剂、2％增稠剂、1％消光剂以及1％缓蚀剂；水性高分子乳液按重量百分比为83％为水性硅树脂。实施例5本实施例制备的高导热绝缘水性涂料，包括高导热绝缘填料、水性乳液以及助剂。高导热绝缘填料按重量百分比包括1％氧化铝(尺寸1μm)，0.5％氮化硼(尺寸100nm)，1.5％氮化铝(粒径50nm)，0.5％氮化硼(粒径1μm)，1.5％碳化硅(粒径100nm)。所述助剂按重量百分比包括4％成膜助剂、1％流平剂、1％抗氧化剂、1.5％分散剂、0.5％消泡剂、2％增稠剂、1％消光剂、0.5％缓蚀剂以及0.5％ph调节剂。所述水性高分子乳液为83％为水性醇酸树脂。表1样品测试标准对比例1对比例2实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5膜厚μmgb/t1345.2-20085555555固含量％gb/t1725-200740％40％40％40％40％40％40％盐雾试验hgb/t10125-1997＞1000＞1000＞1000＞1000＞1000＞1000＞1000涂层硬度gb/t6742-2007hbhbhbhbhbbb电气强度mv/mgb/t1408.1-2016≥20≥20≥20≥20≥20≥20≥20体积电阻率ω·mhg/t3331-2012≥1x1013≥1x1013≥1x1013≥1x1013≥1x1013≥1x1013≥1x1013介电常数gb/t5594.4-2015≤3.5≤3.5≤3.5≤3.5≤3.5≤3.5≤3.5附着力/划格试验gb/t9286-19980级0级0级0级0级0级0级热导率w/m·kgbt22588-20081.01.31.81.61.51.61.5通过对比表1中数据表明，导热填料的尺寸及分布对涂料热导率影响显著，不同尺寸填料按照适宜分布比例复合比同尺寸填充效果好；在较高用量下，纳米粒子体系热导率优于微米粒子，但直接使用纳米粒子效果不佳，将纳米和微米尺寸粒子复合，则能显著提高导热性能。当前第1页12