一种水性石墨烯导热散热涂料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种涂料，具体是一种水性石墨烯导热散热涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

导热散热涂料用于涂敷在导热散热元件表面，可形成粘附牢固、具有一定的耐冲击强度、连续稳定的固态薄膜。传统的导热散热涂料一般为油性，其存在一系列环境污染问题。随着国家环保要求的日益严格，市场上出现了更加环保、高效的水性散热涂料。但是如何在保证绿色环保、提高导热散热效果的同时，提高涂料的附着力、硬度、耐冲击性等基本性能，是水性涂料领域研究的热点。

电子元件在工作时会产生较多热量，造成其内部温度非常高，温度高极大地降低了电子元件的性能和寿命。统计显示：电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10％，温升50℃的寿命只有温升25℃时的1/6。例如，照明光源led具有光效高、环保等优点，成为第四代光源的发展方向，但是导热、散热问题制约了其发展与应用。led是电子发光元件，由于制造材料以及技术的限制，内部光子产率很低，仅有20％左右的电光转换效率，其余的电能全部转换为热能。研究表明，电子元件的性能与其工作温度成负相关：led结温每升高10℃，光衰及寿命就会减半，同时发光效率也会降低。因此，如何解决电子元件的导热散热问题，成为制约着电子技术的发展、应用的关键问题。

在热学性能方面，石墨烯被认为是迄今为止最好的传热材料，导热率可达5000w/mk，大约是金刚石的5倍，是铜的10倍。石墨烯是一种非常优异的二维材料，其本身具有很好的热学性能。近年来，随着石墨烯材料的发展，测试其导热散热性能成为研究石墨烯材料性能最活跃的领域之一，为石墨烯材料取代其他材料成为电子元件的导热、散热片提供了机会与可能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水性石墨烯导热散热涂料及其制备方法和应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水性石墨烯导热散热涂料，包括以下按照重量份计的组分：

作为本发明进一步的方案：所述石墨烯的中位粒径≤10μm。

作为本发明进一步的方案：所述水性树脂乳液采用水性丙烯酸乳液。

作为本发明进一步的方案：所述填料为炭黑、氮化硼、碳化硅、绢云母粉、高岭土、膨润土、白炭黑、硫酸钡和氧化锌中的一种或多种的组合物。

作为本发明进一步的方案：所述成膜助剂为丙二醇甲醚、乙二醇丁醚、十二醇酯和丙三醇中的一种或多种的组合物。

一种水性石墨烯导热散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取水性树脂乳液、石墨烯、石墨烯分散剂、水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂、成膜助剂、填料和水，备用；

(2)将水、石墨烯分散剂、石墨烯、水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料混合，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为1500-3000r/min，分散时间为15-30min；分散结束后，将分散机转速调为400-800r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌8-10min，即得。

一种水性石墨烯导热散热涂料在电子领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明使用高导热率的石墨烯作为导热散热介质，具有良好的导热散热效果。

2、本发明使用水性丙烯酸乳液作为涂料的成膜材料，具有耐候性好、粘接性好、强度高、耐高温、电绝缘性能高等优点。

3、本发明使用水做溶剂，具有价格低、环境友好的特点。且采用水作溶剂，无需添加固化剂，常温即可快速干燥，具有低能耗的特点。

4、本发明将导热散热涂料直接涂布于散热装置的表面，可增加散热部位的导热率、热辐射率及散热面积，可显著提升基材的导热及散热效果，具有安全、环保、高效的特点。涂布方法简单，可将被喷涂物表面清洗干净后，用喷枪将本发明涂料均匀喷涂在物体表面；还可使用浸涂、刷涂等方法。

5、本发明工艺简单，工艺条件温和，原料及产品均无刺激性气味；且投资少，能耗低，易于推广和产业化。

附图说明

图1为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料(试验组)的测试钢板的降温曲线图。

图2为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料的测试钢板(试验组)在0.5a电流下的升温曲线图。

图3为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料的测试钢板(试验组)在1a电流下的升温曲线图。

图4为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料的测试钢板(试验组)在0.5a及1a电流下测试样品的红外测试柱形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

称取水性树脂乳液40份、石墨烯0.45份、石墨烯分散剂0.45份、水性流平剂0.5份、基材润湿剂1.3份、水性消泡剂0.7份、成膜助剂1.5份、填料30.1份和水25份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，500r/min下低速分散5分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为2500r/min，分散时间为30min；分散结束后，将分散机转速调为500r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌10min，即得。

其中，所述水性树脂乳液采用水性丙烯酸乳液；水性丙烯酸乳液可选用但不限于湛新树脂(常熟)有限公司生产的setaqua6472丙烯酸乳液；

所述石墨烯的中位粒径≤10μm；

所述石墨烯分散剂可选用但不限于维波斯新材料(潍坊)有限公司生产的4900分散剂，其成分为含石墨烯亲和基团的亲水性高分子聚合物，非离子类；

水性流平剂可选用但不限于默克实业有限公司生产的流平剂mok-2020，其成分为聚醚改性聚二甲基硅氧烷；

基材润湿剂可选用但不限于广州市仲皓璟高分子材料有限公司生产的基材润湿剂c055，其成分为改性有机硅聚醚共聚物；

水性消泡剂可选用但不限于默克实业有限公司生产的消泡剂mok-6026，其成分为含有机硅破泡聚合物；

所述成膜助剂为丙二醇甲醚；所述填料为炭黑。

测试一、led主动升温法实验：

测试环境：标准实验室内，测试温度23℃，环境湿度50％。

led散热器规格：标称70w的led散热器，梳子形6063铝型材，16齿，外观尺寸：16×15×4cm，鳍片厚度2-4mm，净重1.12kg，散热面积约：2000cm²；

测试方法：取2款规格相同的led灯，试验组喷涂实施例1的导热散热涂料，对照组不喷涂。用多路测温仪分别测定led灯在70w的额定功率下和超额至100w的功率下灯的光源铜基板温度及散热翅片温度。试验结果表明，试验组较对照组，70w的额定功率下，铜基板温度降低9.1℃，导热效率提高12.2％，散热翅片温度降低9.5℃，散热效率提高13.5％；超额至100w的额定功率，铜基板温度降低11.6℃，导热效率提高12.6％，散热翅片温度降低13.6℃，散热效率提高15.9％。

表1为未涂布本发明涂料的70wled(对照组)和已涂布本发明实施例1涂料的70wled(试验组)升温测试数据。

表1

测试二、恒温恒湿散热降温法实验：

测试环境：标准实验室内，测试温度23℃，环境湿度50％。

测试钢板规格：150*70*0.5mm，195或215的低碳结构钢。

测试方法：取2个规格相同的测试钢板，一个涂布实施例1的石墨烯导热散热涂料记为试验组，另一个未涂布记为对照组，将其放入恒温恒湿箱，并连接多路测温仪，随时监测钢板温度变化。设置恒温恒湿箱温度为80℃，待钢板温度稳定为80℃时，取出测试钢板，监测漆膜表面温度变化，并绘制散热降温曲线。测试结果表明，试验组较对照组，降低原温度一半所用时间减少40s，散热效率提升28.4％。

图1为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料(试验组)的测试钢板的降温曲线。

测试三、导热陶瓷片恒流升温(加热)法实验：

测试环境：标准实验室内，测试温度23℃，环境湿度50％。

陶瓷片规格：40mm×40mm×2mm；测试钢板：150*70*0.5mm，195或215的低碳结构钢。

测试方法：准备两块规格相同的陶瓷片，串联在电路中，分别通0.5a及1a直流电源，每个陶瓷片上均负载一块测试钢板，其中一块为对照组，其表面未土涂布涂料；另一组为试验组，其表面涂布实施例1制备的导热散热涂料。用多路测温仪监测钢板的表面温度，待温度稳定后，用红外热像仪测试钢板的红外辐射温度。测试结果显示，通0.5a直流电源时，试验组较对照组表面接触温度降低6.9℃，散热效率提升15.2％；红外辐射温度升高，试验组较对照组辐射温度提高15℃，散热(热辐射)效率提升55.6％。通1a直流电源时，试验组较对照组表面接触温度降低27.1℃，散热效率提升25.7％；红外辐射温，试验组较对照组辐射温度提高48.8℃，散热(热辐射)效率提升126.8％。

图2为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料的测试钢板(试验组)在0.5a电流下的升温曲线图。图3为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料的测试钢板(试验组)在1a电流下的升温曲线图。图4为未涂布本发明涂料的测试钢板(对照组)与已涂布本发明实施例1涂料的测试钢板(试验组)在0.5a及1a电流下测试样品的红外测试柱形图。

综合得知，当本发明实施例1的涂料涂覆在器件表面时，可以大幅度提高器件表面的导热散热效率，增强散热器件的导热散热能力。

实施例2

称取水性树脂乳液36.6份、石墨烯0.1份、石墨烯分散剂0.1份、水性流平剂0.6份、基材润湿剂1.3份、水性消泡剂0.9份、成膜助剂2.5份、填料32.9份和水25份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，400r/min下低速分散3分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为1500r/min，分散时间为20min；分散结束后，将分散机转速调为550r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌8min，即得。

与实施例1不同的是：所述成膜助剂为丙二醇甲醚和乙二醇丁醚的组合物；所述填料为氮化硼和碳化硅的组合物。

按实施例1所述的三种方法进行测试，结果表明，本实施例2制备的涂料也具有与实施例1中相类似的导热和散热趋势，说明本发明的水性石墨烯导热散热涂料具有优良的导热、散热效果。

实施例3

称取水性树脂乳液30份、石墨烯0.2份、石墨烯分散剂0.2份、水性流平剂0.6份、基材润湿剂1.3份、水性消泡剂0.9份、成膜助剂2份、填料34.8份和水29份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，400r/min下低速分散4分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为2800r/min，分散时间为15min；分散结束后，将分散机转速调为400r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌9min，即得。

与实施例1不同的是：所述成膜助剂为丙二醇甲醚、乙二醇丁醚和十二醇酯的组合物；所述填料为绢云母粉、高岭土和膨润土的组合物。

按实施例1所述的三种方法进行测试，结果表明，本实施例3制备的涂料也具有与实施例1中相类似的导热和散热趋势，说明本发明的水性石墨烯导热散热涂料具有优良的导热、散热效果。

实施例4

称取水性树脂乳液35.1份、石墨烯0.4份、石墨烯分散剂0.4份、水性流平剂1份、基材润湿剂1.5份、水性消泡剂1.6份、成膜助剂4份、填料26份和水30份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，450r/min下低速分散5分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为3000r/min，分散时间为20min；分散结束后，将分散机转速调为550r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌10min，即得。

与实施例1不同的是：所述成膜助剂为丙二醇甲醚、乙二醇丁醚、十二醇酯和丙三醇的组合物；所述填料为膨润土、白炭黑、硫酸钡和氧化锌的组合物。

按实施例1所述的三种方法进行测试，结果表明，本实施例4制备的涂料也具有与实施例1中相类似的导热和散热趋势，说明本发明的水性石墨烯导热散热涂料具有优良的导热、散热效果。

实施例5

称取水性树脂乳液40份、石墨烯0.6份、石墨烯分散剂0.6份、水性流平剂1份、基材润湿剂1.5份、水性消泡剂0.8份、成膜助剂4份、填料26.5份和水25份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，600r/min下低速分散6分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为2800r/min，分散时间为25min；分散结束后，将分散机转速调为500r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌8min，即得。

与实施例1不同的是：所述成膜助剂为乙二醇丁醚、十二醇酯和丙三醇的组合物；所述填料为炭黑、氮化硼、碳化硅、绢云母粉和高岭土的组合物。

按实施例1所述的三种方法进行测试，结果表明，本实施例5制备的涂料也具有与实施例1中相类似的导热和散热趋势，说明本发明的水性石墨烯导热散热涂料具有优良的导热、散热效果。

实施例6

称取水性树脂乳液33.7份、石墨烯0.8份、石墨烯分散剂0.8份、水性流平剂1.5份、基材润湿剂1份、水性消泡剂0.3份、成膜助剂1.5份、填料36份和水25份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，700r/min下低速分散5分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为3000r/min，分散时间为25min；分散结束后，将分散机转速调为650r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌8min，即得。

与实施例1不同的是：所述成膜助剂为十二醇酯和丙三醇的组合物；所述填料为炭黑、氮化硼、碳化硅、绢云母粉、高岭土、白炭黑、硫酸钡和氧化锌的组合物。

按实施例1所述的三种方法进行测试，结果表明，本实施例6制备的涂料也具有与实施例1中相类似的导热和散热趋势，说明本发明的水性石墨烯导热散热涂料具有优良的导热、散热效果。

实施例7

称取水性树脂乳液36.5份、石墨烯1份、石墨烯分散剂1份、水性流平剂1份、基材润湿剂1.5份、水性消泡剂0.8份、成膜助剂4份、填料25份和水29份，备用；将水、石墨烯分散剂和石墨烯混合，800r/min下低速分散8分钟；然后加入水性流平剂、基材润湿剂、水性消泡剂和填料，经研磨机研磨后，通过分散机分散搅拌，分散转速为2800r/min，分散时间为30min；分散结束后，将分散机转速调为800r/min，加入水性树脂乳液和成膜助剂，继续分散搅拌10min，即得。

与实施例1不同的是：所述成膜助剂为十二醇酯；所述填料为炭黑、氮化硼、碳化硅、绢云母粉、高岭土、膨润土、白炭黑、硫酸钡和氧化锌的组合物。

按实施例1所述的三种方法进行测试，结果表明，本实施例7制备的涂料也具有与实施例1中相类似的导热和散热趋势，说明本发明的水性石墨烯导热散热涂料具有优良的导热、散热效果。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。