一种功能纳米散热涂料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及功能材料及电子器件技术领域，尤其涉及一种功能纳米散热涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

金属材料因具有较高导热系数、较快的传热速度，所以常常被用作传热介质,在很多电子电器产品中作为散热结构材料使用。但是，金属表面的热辐射能力差，在没有对流传热的条件下，金属上的热量很难通过辐射方式散发。但若加之增强对流传热的设备，不仅增加成本，而且占用空间较大，无法满足如今电子产品向小型化、大功率化、高性能化的发展需求。因此，通过涂层技术提高金属表面的热辐射能力，正适应当今科技发展的潮流，可在不改变或适度小改现有工艺及工序的情况下，实现更好的散热效率，延长电子器件的寿命。基于上述原因，开发一款功能纳米散热涂料来克服现有技术的难题，变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供了一种功能纳米散热涂料及其制备方法和应用，所述的散热涂料能提高电子器件的散热效率，有效提高电子器件的使用稳定性，延长电子器件的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供的一种功能纳米散热涂料，按重量份数计，包括：水溶性树脂20-60份、水溶性固化剂1-12份、增稠剂0.1-2份、水40-70份、消泡剂0.1-0.5份、流平剂0.5-5份、助剂0.5-30份、纳米炭材料0.5-5份。

优选的，所述纳米炭材料选自薄层石墨烯、多层石墨烯，石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米炭纤维、多孔纳米炭材料、炭气凝胶粉体、炭黑中的一种或多种。

优选的，所述水溶性树脂选自环氧树脂、氨基树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、环氧硅丙树脂、酚醛树脂、环氧硅丙改性醇酸树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸改性树脂中的一种或多种。

优选的，所述水溶性固化剂选自聚氨酯固化剂、异氰酸酯固化剂、氨基树脂、多乙烯多胺类固化剂、聚酰胺类固化剂、酸酐、甲阶酚醛树脂中的一种或多种。

优选的，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、甲基纤纳素、2-羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、水性聚氨酯增稠剂、非离子聚氨酯缔合型增稠剂、疏水改性碱溶胀缔合型增稠剂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、卡波树脂、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、改性聚脲、低分子聚乙烯蜡中的一种或多种。

优选的，所述消泡剂选自乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚中的一种或多种。

优选的，所述助剂选自n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基乙醇胺、n,n-二甲基甲酰胺、丙二醇、二丙酮醇、乙醇、乙二醇、正丁醇中的一种或多种。

第二方面，本发明提供的一种如第一方面所述的功能纳米散热涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米炭材料、水、助剂加入到搅拌釜中，搅拌混合1-3小时，得到物料a；

(2)向步骤(1)所得的物料a中加入水溶性树脂、水溶性固化剂、流平剂，继续搅拌混合0.5-2小时，得到物料b；

(3)向步骤(2)所得的物料b中加入消泡剂，最后将增稠剂分批次加入，继续搅拌2-6小时，即得到功能纳米散热涂料。

第三方面，本发明提供的一种散热结构，包括基体及位于所述基体表面上的散热涂层，所述散热涂层为采用如第一方面所述的功能纳米散热涂料制成。

第四方面，本发明提供的一种如第三方面所述的散热结构的制备方法，包括如下步骤：将所述功能纳米散热涂料以浸涂法、空气喷涂法、空气辅助式喷涂法、静电喷涂法、辊涂法、刮涂法、旋涂法中的任一种或多种方法施加于基体表面，再置于120-180℃中烘烤10-30min，形成散热结构。

本发明的有益效果，包括如下几点：

(1)本发明所采用的纳米炭材料具有高热导率、高辐射率、纳米表面积等特性，是最理想的散热填料材料。使用具有高辐射率的纳米炭材料与树脂复合，涂层可与金属散热器表面发生共振效应，大大提升材料表面的远红外发射效率，能够将热量快速地从散热器表面释放；

(2)本发明通过涂层技术提高散热器金属表面的热辐射能力，可在小改或者不改变现有工艺及工序的情况下，实现更好的散热效率，延长电子器件的寿命，该技术响应国家环保节能号召，符合当今科技发展的潮流；

(3)本发明对电子器件的散热效果明显，测试结果表明：在led灯散热器上喷涂本产品，降温效率达14％；在空调压缩机散热片上喷涂本产品，降温效率达20％(不同应用器件的降温效率视具体使用环境而定)，本产品性能优异，远高于市场上同类产品；

(4)本发明所提供的功能纳米散热涂料适用范围广，对不同基材均具有良好的附着力(如铝合金、铜、铁、塑料、玻璃等)，可应用于各类电子器件，涵盖led照明、家用电器、手机与电脑等电子设备；

(5)本发明所提供的功能纳米散热涂料的操作工艺简单，无需改变原器件原有结构，简单喷涂或者浸泡即可在原器件表面形成散热涂层，是目前提高降温效率成本最低的散热方式，符合电子器件向小型化、大功率化、高性能化的发展需求；

(6)散热涂层还具有绝缘、防腐、防水和自洁等功能；

(7)本发明所提供的功能纳米散热涂料为水性涂料，秉承绿色化学的生产理念，致力于从源头上将精细化学品绿色化，具有保护环境和节约资源的双重功效，实现经济效益和社会效益完美结合。

附图说明

图1为实施例1中所述的led灯具散热器；

图2为本发明功能纳米散热涂料1及现有的散热涂料的散热性能对比图；

图3为本发明功能纳米散热涂料2的散热效果图；

图4为本发明功能纳米散热涂料3的散热效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

第一方面，本发明提供的一种功能纳米散热涂料，按重量份数计，包括：水溶性树脂20-60份、水溶性固化剂1-12份、增稠剂0.1-2份、水40-70份、消泡剂0.1-0.5份、流平剂0.5-5份、助剂0.5-30份、纳米炭材料0.5-5份。

本发明实施方式中，所述功能纳米散热涂料，按重量份数计，包括：水溶性树脂20-40份、水溶性固化剂2-4份、增稠剂1～2份、水40-60份、消泡剂0.2-0.4份、流平剂2～4份、助剂5-30份、纳米炭材料0.5-3份。

进一步地，所述功能纳米散热涂料，按重量份数计，包括：水溶性树脂30份、水溶性固化剂3份、增稠剂1份、水50份、消泡剂0.3份、流平剂1.7份、助剂13份、纳米炭材料1份。

本发明实施方式中，所述水溶性树脂选自环氧树脂、氨基树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、环氧硅丙树脂、酚醛树脂、环氧硅丙改性醇酸树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸改性树脂中的一种或几种。

本发明实施方式中，所述水溶性固化剂选自聚氨酯固化剂、异氰酸酯固化剂、氨基树脂、多乙烯多胺类固化剂、聚酰胺类固化剂、酸酐、甲阶酚醛树脂中的一种或几种。

本发明实施方式中，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、甲基纤纳素、2-羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、水性聚氨酯增稠剂、非离子聚氨酯缔合型增稠剂、疏水改性碱溶胀缔合型增稠剂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、卡波树脂、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、改性聚脲、低分子聚乙烯蜡中的一种或几种。

本发明实施方式中，所述水为去离子水。

本发明实施方式中，所述消泡剂选自乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚中的一种或几种。

本发明实施方式中，所述流平剂选自聚醚硅氧烷共聚物、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素中的一种或几种。

本发明实施方式中，所述助剂选自n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基乙醇胺、n,n-二甲基甲酰胺、丙二醇、异丙醇、二丙酮醇、乙醇、乙二醇、正丁醇中的一种或几种。。

本发明实施方式中，所述纳米炭材料选自薄层石墨烯、多层石墨烯、石墨、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米炭纤维、多孔纳米炭材料、炭气凝胶粉体、炭黑中的一种或几种。

进一步地，所述石墨的目数不小于5000目。

进一步地，所述多孔纳米炭材料的目数不小于300目。

进一步地，所述炭气凝胶粉体的目数不小于300目。

进一步地，所述炭黑为乙炔炭黑。

进一步地，所述炭黑的目数不小于3000目。

第二方面，本发明提供的一种如第一方面所述的功能纳米散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纳米炭材料、水、助剂加入到搅拌釜中，搅拌混合1-3小时，得到物料a；

(2)向步骤(1)所得的物料a中加入水溶性树脂、水溶性固化剂、流平剂，继续搅拌混合0.5-2小时，得到物料b；

(3)向步骤(2)所得的物料b中加入消泡剂，最后将增稠剂分批次加入，继续搅拌2-6小时，即得到功能纳米散热涂料。

本发明实施方式中，步骤(1)中的搅拌速度为300-1000转/分钟。

本发明实施方式中，步骤(2)中的搅拌速度为300-1000转/分钟。

本发明实施方式中，步骤(3)中的搅拌速度为300-1000转/分钟。

第三方面，本发明提供的一种散热结构，包括基体及位于所述基体表面上的散热涂层，所述散热涂层为采用如权利要求1-7中任一项所述的功能纳米散热涂料制成。

第四方面，本发明提供的一种如第三方面所述的散热结构的制备方法，包括如下步骤：将所述功能纳米散热涂料以浸涂法、空气喷涂法、空气辅助式喷涂法、静电喷涂法、辊涂法、刮涂法、旋涂法中的任一种或多种方法施加于基体表面，再置于120-180℃中烘烤10-30min，形成散热结构。

在120-180℃处理过程中，水溶性树脂和水溶性固化剂会发生固化反应，形成交联聚合物，附着在基材上，形成涂层附着力强，同时具有绝缘、防腐、防水和自洁等功能。

可以理解的，所述基体为各类电子器件的散热器，包括led灯、空调压缩机、冰箱等家电的电路控制板、手机与电脑等电子产品的芯片、取暖器外壳、北方家庭取暖的地暖管道等。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

以下实施例中的炭黑均为乙炔炭黑，目数均为3000目。

以下实施例中的石墨、薄层石墨烯和多层石墨烯的目数均为5000目。

以下实施例中的多孔纳米炭材料的目数为300目。

以下实施例中的炭气凝胶粉体和纳米炭纤维的目数为300目。

实施例1

本实施例提供的一种功能纳米散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.7g炭黑、0.3g石墨、50g去离子水、10g乙醇、3g二丙酮醇加入到搅拌釜中，500转/分钟搅拌混合1小时，获得均匀物料；

(2)再加入30g水溶性丙烯酸树脂、3g水溶性氨基树脂固化剂、1.7g聚丙烯酸流平剂，500转/分钟继续搅拌混合1小时；

(3)再加入0.3g硅油，先加入0.5g羧甲基纤维素钠，待完全溶解后再加入0.5g羧甲基纤维素钠，700转/分钟继续搅拌4小时，即得到功能纳米散热涂料1。

采用浸涂的方式将此涂料均匀涂在散热器表面(如图1某品牌led灯具散热器)，在120℃下烘烤30分钟，测试涂料用在该散热器上的性能。

为了更好的说明本发明的实施效果，将实施例1制备得到的功能纳米散热涂料均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器(如图1所示)，并测试散热涂料的散热效果。

测试方法：将喷涂过散热涂料的散热器装在led灯上，在环境温度25℃下，打开led灯并保持2h温度恒定后，使用多点温度测试仪记录led灯灯芯的温度变化，测试其散热效果。同时，以现有的碳纳米管散热涂料1、现有的石墨烯散热涂料、现有的碳纳米管散热涂料2作为对比样品。

测试结果如图2所示，在未使用散热涂料的led上，2小时后结温温度达85.7℃；使用某科研院所碳纳米管散热涂料的led灯结温温度为77.9℃，温度下降7.8℃，降温效率为9.10％；使用现有的石墨烯散热涂料的led灯结温温度为76.8℃，温度下降8.9℃，降温效率为10.39％；使用现有的碳纳米管散热涂料的led灯结温温度为79.6℃，温度下降6.1℃，降温效率为7.12％；使用实施例1制备的散热涂料一的led灯结温温度为74.6℃，温度下降11.1℃，降温效率为12.95％。

实施例2

本实施例提供的一种功能纳米散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.8g炭黑、0.2g石墨、50g去离子水、10g异丙醇、2g二丙酮醇加入到搅拌釜中，300转/分钟搅拌混合2小时，获得均匀物料；

(2)再加入30g水溶性丙烯酸树脂、3g水溶性氨基树脂固化剂、1g聚丙烯酸流平剂，500转/分钟继续搅拌混合1小时；

(3)再加入0.3g硅油，先加入0.5g聚丙烯酰胺，待完全溶解后再加入0.5g聚丙烯酰胺，700转/分钟继续搅拌4小时，即得到功能纳米散热涂料2。

为了更好的说明本发明的实施效果，将步骤(3)所得的功能纳米散热涂料2均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料2的散热效果。

测试结果如图3所示，使用功能纳米散热涂料2的led灯结温温度为75.9℃，温度下降9.8℃，降温效率为11.44％。

实施例3

本实施例提供的一种功能纳米散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将1g炭黑、0.1g多孔纳米炭材料、48g去离子水、12.5gn,n-二甲基乙醇胺加入到搅拌釜中，500转/分钟搅拌混合2小时，获得均匀物料；

(2)再加入30g水溶性丙烯酸树脂、3g水溶性氨基树脂固化剂、2g聚丙烯酸流平剂，700转/分钟继续搅拌混合2小时；

(3)再加入2g聚醚类消泡剂，待搅拌溶解后再加入1.4g水性聚氨酯增稠剂，700转/分钟继续搅拌6小时，即得到功能纳米散热涂料3。

为了更好的说明本发明的实施效果，将步骤(3)所得的功能纳米散热涂料2均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料3的散热效果。

测试结果如图4所示，使用功能纳米散热涂料3的led灯结温温度为73.6℃，温度下降12.1℃，降温效率为14.12％。

实施例4不同纳米炭材料对功能纳米散热涂料的性能影响

为了进一步说明本发明的有益效果，分别采用“1g炭黑、0.1g石墨”、“1g炭黑、0.1g薄层石墨烯”、“1g炭黑、0.1g炭气凝胶粉体”替换实施例1中的“1g炭黑、0.1g多孔纳米炭材料”，按照实施例3的步骤制得功能纳米散热涂料4、功能纳米散热涂料5、功能纳米散热涂料6、功能纳米散热涂料7。

为了更好的说明本发明的实施效果，将功能纳米散热涂料4、功能纳米散热涂料5、功能纳米散热涂料6、功能纳米散热涂料7，分别均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料7、功能纳米散热涂料4、功能纳米散热涂料5、功能纳米散热涂料6、功能纳米散热涂料7的散热效果；测试结果如表1所示。

表1不同纳米炭材料对功能纳米散热涂料的性能影响

实施例5水溶性树脂和水溶性固化剂的不同配比对功能纳米散热涂料的性能影响

为了进一步说明本发明的有益效果，分别采用“30g水溶性丙烯酸树脂、1g水溶性氨基树脂固化剂”、“30g水溶性丙烯酸树脂、3g水溶性氨基树脂固化剂”、“30g水溶性丙烯酸树脂、5g水溶性氨基树脂固化剂”，按照实施例3的步骤制得功能纳米散热涂料8、功能纳米散热涂料9。

为了更好的说明本发明的实施效果，将功能纳米散热涂料8、功能纳米散热涂料9分别均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料3、功能纳米散热涂料8、功能纳米散热涂料9散热效果；测试结果如表2所示。

表2水溶性树脂和水溶性固化剂的不同配比对功能纳米散热涂料的性能影响

实施例6不同水溶性树脂对功能纳米散热涂料的性能影响

为了进一步说明本发明的有益效果，分别采用“30g水溶性环氧树脂”“30g水溶性聚酯树脂”、“30g水溶性环氧硅丙树脂”，按照实施例3的步骤制得功能纳米散热涂料10、功能纳米散热涂料11。

为了更好的说明本发明的实施效果，将功能纳米散热涂料10、功能纳米散热涂料11分别均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料10、功能纳米散热涂料11的散热效果；测试结果如表3所示。

表3不同水溶性树脂对功能纳米散热涂料的性能影响

实施例7不同固化剂对功能纳米散热涂料的性能影响

为了进一步说明本发明的有益效果，分别采用“3g水溶性聚氨酯固化剂”替换实施例3中的“3g水溶性氨基树脂固化剂”，按照实施例3的步骤制得功能纳米散热涂料12，其表面光泽度更好。

为了更好的说明本发明的实施效果，将功能纳米散热涂料12分别均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料12的散热效果；测试结果如表4所示。

表4不同水溶性固化剂对功能纳米散热涂料的性能影响

实施例8

本实施例提供的一种功能纳米散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将1g炭黑、0.1g多孔纳米炭材料、57g去离子水、12.5gn,n-二甲基乙醇胺加入到搅拌釜中，500转/分钟搅拌混合2小时，获得均匀物料；

(2)再加入20g水溶性丙烯酸树脂、2g水溶性氨基树脂固化剂、2g聚丙烯酸流平剂，700转/分钟继续搅拌混合2小时；

(3)再加入2g聚醚类消泡剂，待搅拌溶解后再加入2.4g水性聚氨酯增稠剂，700转/分钟继续搅拌6小时，即得到功能纳米散热涂料13。为了更好的说明本发明的实施效果，将功能纳米散热涂料13均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料13的散热效果；测试结果显示，使用功能纳米散热涂料13的led灯结温温度为78.9℃，降温效率为7.93％。

实施例9

本实施例提供的一种功能纳米散热涂料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将1g炭黑、0.1g多孔纳米炭材料、37g去离子水、12.5gn,n-二甲基乙醇胺加入到搅拌釜中，500转/分钟搅拌混合2小时，获得均匀物料；

(2)再加入40g水溶性丙烯酸树脂、4g水溶性氨基树脂固化剂、2g聚丙烯酸流平剂，700转/分钟继续搅拌混合2小时；

(3)再加入2g聚醚类消泡剂，待搅拌溶解后再加入1.4g水性聚氨酯增稠剂，700转/分钟继续搅拌6小时，即得到功能纳米散热涂料14。为了更好的说明本发明的实施效果，将功能纳米散热涂料14均匀涂在散热器表面，在150℃下烘烤20min，得到具有均匀散热涂层的散热器，并按照实施例1中的测试步骤，测试功能纳米散热涂料26的散热效果；测试结果显示，使用功能纳米散热涂料26的led灯结温温度为76.2℃，降温效率为11.09％。

上述实施例的测试结果证明，本发明对于解决电子器件的散热问题具有明显优势，是一种高效且多功能的散热涂料。本发明采用具有高热导率、高辐射率、高比表面积的几种纳米碳材料复配，结合我们的涂层技术，在散热基材表面形成高效率的散热网络，从而有效地强化物体表面的热传导及热辐射能力，提高表面的散热效率，实现降温散热的目的。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。