CN102250546A - 一种纳米炭黑散热涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米炭黑散热涂料及其制备方法。该涂料由水性树脂、纳米炭黑、纳米炭黑的分散剂、水性流平剂、水性消泡剂和溶剂组成；通过球磨充分混合以形成散热涂料。其中，该散热涂料中各组分之质量份数为：水性硅树脂30～60质量份；纳米炭黑3～15质量份；纳米炭黑的分散剂0.5～2.5质量份；水性流平剂0.5～1.5质量份；水性消泡剂0.5～1.5质量份；溶剂30～40质量份；该散热涂料可直接涂布散热装置可增加其散热面积，以提升散热效果，具有高效、方便、绿色环保特点。

Description

一种纳米炭黑散热涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种散热涂料，尤其是涉及一种可涂布于散热装置外以增强散热效果的涂料。

背景技术

材料、金属现代科学技术的快速发展，使得仪器、设备、部件的设计、生产向着小型化、轻量化、紧凑化、高效化方向发展，超大规模集成电路的发展又使得电子器件的高功率密度特征越来越明显，由此而产生的大量热量将直接影响到电子器件的工作稳定性和完全可靠性。而常规的冷却***所能达到的冷却能力受到极大挑战，尤其在能源、汽车、空调、农业、化工、采暖、航空航天、微电子、信息等领域，对强化传热、提高散热效率等技术提出了更高的要求。

热传导过程涉及到使用热沉或散热器件将电子器件、加热部件、热流体等物质的热负荷迅速转移，一方面是为了降低工作器件的自身温度．以保持较为稳定的工作状态；另一方面是将加热部件或流体的热量转移，以便高效利用热量，如散热器。在这些传热过程中，热传导或散热效率往往取决于热沉或散热器件的热导率。使用高导热材料作为热沉或散热器件可以大幅度降低器件的内部或表面温度，同时也可高效、经济地利用热量．从而具有重要的实际意义。散热涂料是一种辐射走物体热量并隔热防水的涂料，涂料直接涂刷在要散热降温的物体表面，辐射散热降温涂料能够以红外波长向大气空间自动辐射走被涂刷物体上的热量，降低物体表面和内部温度，散热降温明显。涂料散热不受周围介质影响，涂料散热可以在真空环境中使用，涂料在起到辐射降温的同时，也有很好的自洁性、绝缘性、防腐性、防水性、抗酸碱、施工方便的特点。

目前，在散热涂料中常用的散热填料主要有氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳化硅及氧化锌等。虽然这些氧化物或氮化物的热导率较高，但普遍价格较贵。同时所制备的涂料含有各种有机溶剂，具有毒性大、环境污染严重等缺点。因此，在本领域寻求一种具有价格低廉、环境友好且制备方法快捷简单的散热涂料十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米炭黑散热涂料及其制备方法，其具有散热效果好、原料价格低廉、环境友好且制备方法快捷简单等优点。

为实现上述目的，本发明综合利用了纳米炭黑的高热导率和有机硅树脂的优良黏接性能、高强度及优异耐高温性、电绝缘性能等优势。将纳米炭黑在各种助剂协同作用下分散在水性树脂中，制备了一种新的环境友好型散热涂料。

本发明实现其目的所采取的技术方案是：本发明纳米炭黑散热涂料包括如下组分：

水性树脂                               30～60质量份；

纳米炭黑                               3～15质量份；

纳米炭黑的分散剂                       0.5～2.5质量份；

水性流平剂                             0.5～1.5质量份；

水性消泡剂                             0.5～1.5质量份；

溶剂                                   30～40质量份；

所述溶剂是水和/或乙醇。

进一步地，本发明所述水性树脂为水性有机硅树脂、水性环氧树脂或水性聚氨酯树脂。

进一步地，本发明所述纳米炭黑的粒径小于20 nm。

本发明的纳米炭黑散热涂料的方法如下：

称取30～60质量份的水性树脂、30～40质量份的溶剂、3～15质量份的纳米炭黑粉末、0.5～1.5质量份的水性流平剂、0.5～2.5质量份的纳米炭黑的分散剂和0.5～1.5质量份的水性消泡剂，并充分混合得到混合溶液，所述溶剂是水和/或乙醇；后将所述混合溶液置于球磨机中进行球磨，其研磨速度为400～600 r/min、研磨时间为4～6小时。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）本发明使用高热导率的纳米炭黑作为导热介质，具有散热效果好，价格低廉的特点。

（2）本发明使用水性树脂作为涂料的成膜材料，具有黏接性能好、强度高及耐高温性、电绝缘性能高等优点。

（3）本发明使用水性树脂，可使用水、乙醇等为溶剂，具有价格低、环境友好的特点。

（4）本发明散热涂料直接涂布于散热装置的表面可增加其散热面积，以提升散热效果，具有高效、方便、绿色环保特点。本发明纳米炭黑散热涂料可使用简单的普通喷涂方法，将被喷物表面清洗干净后，用喷枪将碳黑涂料均匀喷涂在物体表面即可。

（5）本发明使用的溶剂是水和/或乙醇，喷涂好的产品具有烘干速度快，烘干温度低，甚至在常温下也可烘干，具有能耗低的特点。

（6）本发明制备方法的工艺简单，制备条件温和，操作简便，投资少，能耗低，因此，易于推广和产业化。

附图说明

图1为未涂布散热涂料的铝片（曲线A）和已经涂布本发明实施例1中的散热涂料铝片（曲线B）的升温变化曲线。

图2为未涂布散热涂料的铝片（曲线A）和已经涂布本发明实施例2中的散热涂料铝片（曲线B）的降温变化曲线。

图3为涂布本发明实施例1中的散热涂料铝片（曲线A）和涂布本发明实施例4中的散热涂料铝片（曲线B）的升温变化曲线。

图4为涂布本发明实施例1中的散热涂料铝片（曲线A）和涂布本发明实施例4中的散热涂料铝片（曲线B）的降温变化曲线。

具体实施方式

下面通过具体但并非限制性的实施例对本发明示例性地进行详细说明。

在以下实施例中，纳米炭黑的分散剂选用南京天行新材料有限公司生产的纳米粒子分散剂TAZ-CNT 1，其成分为高分子聚合体；水性流平剂选用杭州包尔得有机硅有限公司生产的水性流平剂BD-3033，其成分为聚醚改性有机聚硅氧烷；水性消泡剂选用杭州包尔得有机硅有限公司生产的水性消泡剂BD-304，其成分为一种O/W型含高活性有机硅氧烷乳剂。

实施例1

先将30 g的水性有机硅树脂（H-900）和30 g的水混合在一起以形成混合溶液。之后取3 g的纳米炭黑粉末(粒径为15 nm)于该混合溶液中，搅拌1分钟后，添加纳米炭黑的分散剂（TAZ-CNT1）、水性流平剂（BD-3033）和水性消泡剂（BD-304）各0.5 g于该混合溶液中。最后该混合溶液置于球磨机中进行研磨得到本发明的纳米炭黑散热涂料，其中研磨速度为400 r/min、研磨时间为6小时。倒出研磨好的涂料封存待用。

测试方法：

准备两块7.5 cm×7.5 cm×0.2 cm 规格的两块铝片，其中一块为对照组，其表面未涂布散热涂料；另一块为实验组，其表面涂布实施例所制备得到的散热涂料。将两个一样的5 W的LED灯的灯芯底部涂抹导热膏，分别固定在这两块铝板上面。接上直流电源，将两个LED灯的功率调到一样，利用测温仪对两个LED灯的灯芯进行测量温度记录不同的铝板情况下的温度差异。经实验测试可知，5W的LED灯固定在铝片上后仍以同样的功率工作，而且铝片背面有喷本实施例的纳米散热涂料的铝片上的LED灯的温度比没有喷涂纳米散热材料的铝片上的LED灯的温度低，温度最大差异可达到18 ℃（图1）。由此说明本发明的纳米炭黑散热涂料具有良好的散热效果。

实施例2

先将40 g的水性环氧树脂（E44）和35 g的乙醇混合在一起以形成混合溶液。之后取6 g的纳米炭黑粉末(粒径为15 nm)于该混合溶液中，搅拌1分钟后，添加纳米炭黑的分散剂（TAZ-CNT1）1.5 g、水性流平剂（BD-3033）和水性消泡剂（BD-304）各1.0 g于该混合溶液中。最后该混合溶液置于球磨机中进行研磨得到本发明的纳米炭黑散热涂料，其中研磨速度为500 r/min、研磨时间为5小时。倒出球磨好的涂料封存待用。

测试方法：

准备两块7.5cm×7.5cm×0.2cm 规格的两块铝片，其中一块为对照组，其表面未涂布散热涂料；另一块为实验组，其表面涂布实施例制备得到的散热涂料。将两铝片放置在95 ℃加热板温度平衡30分钟后，将感温线固定于铝片中心处，移除加热板，利用测温仪记录不同铝板的温度下降变化。由图2可知，涂布实施例的散热涂料的铝片降温至起始温度一半所用时间是约17.9分钟，而未涂布散热涂料的铝片降温至起始温度的一半时所用时间约36.5分钟，两者温差最大可达19.4^oC，这也说明本发明的纳米炭黑散热涂料具有良好的散热效果。

实施例3

先将50 g的水性聚氨酯树脂（CS1600）和40 g的水混合在一起以形成混合溶液。之后取9 g的纳米炭黑粉末(粒径为18 nm)于该混合溶液中，搅拌1分钟后，添加纳米炭黑的分散剂（TAZ-CNT1）2.5 g、水性流平剂（BD-3033）和水性消泡剂（BD-304）各1.5 g于该混合溶液中。最后该混合溶液置于球磨机中进行研磨得到本发明的纳米炭黑散热涂料，其中研磨速度为600 r/min、研磨时间为4小时。倒出球磨好的涂料封存待用。

按实施例1和实施例2所记载的方法进行测试可知，本实施例制备得到的涂料也具有实施例1和实施例2相类似的升温和降温变化趋势，说明本发明的纳米炭黑散热涂料具有良好的散热效果。

实施例4

先将60 g的水性有机硅树脂（H-900）和35 g的混合溶剂混合在一起以形成混合溶液，其中，混合溶剂为20 g的乙醇和15 g的水的混合物。之后取12 g的纳米炭黑粉末(粒径为25 nm)于该混合溶液中，搅拌1分钟后，添加纳米炭黑的分散剂（TAZ-CNT1）2.5 g、水性流平剂（BD-3033）和水性消泡剂（BD-304）各1.5 g于该混合溶液中。最后该混合溶液置于球磨机中进行研磨得到本发明的纳米炭黑散热涂料，其中研磨速度为400 r/min、研磨时间为6小时。倒出球磨好的涂料封存待用。

按实施例1和实施例2所记载的方法进行测试可知，本实施例制备得到的涂料也具有实施例1和实施例2相类似的升温和降温变化趋势。说明本发明的纳米炭黑散热涂料具有良好的散热效果。由图3和图4可知，涂布实施例1的散热涂料的铝板的散热效果比涂布实施例4的散热涂料的铝板的散热效果要好。

实施例5

先将50 g的水性环氧树脂（E44）和30 g的混合溶剂混合在一起以形成混合溶液，其中，混合溶剂为10 g的乙醇和20 g的水的混合物。之后取15 g的纳米炭黑粉末(粒径为10 nm)于该混合溶液中，搅拌1分钟后，添加纳米炭黑的分散剂（TAZ-CNT1）1.5 g、水性流平剂（BD-3033）和水性消泡剂（BD-304）各1 g于该混合溶液中。最后该混合溶液置于球磨机中进行研磨得到本发明的纳米炭黑散热涂料，其中研磨速度为550 r/min、研磨时间为5小时。倒出球磨好的涂料封存待用。

按实施例1和实施例2所记载的方法进行测试可知，本实施例制备得到的涂料也具有实施例1和实施例2相类似的升温和降温变化趋势。说明本发明的纳米炭黑散热涂料具有良好的散热效果。

实施例6

先将60 g的水性聚氨酯树脂（CS1600）和40 g的混合溶剂混合在一起以形成混合溶液，其中，混合溶剂为10 g的乙醇和30 g的水的混合物。之后取15 g的纳米炭黑粉末(粒径为15 nm)于该混合溶液中，搅拌1分钟后，添加纳米炭黑的分散剂（TAZ-CNT1）2 g、水性流平剂（BD-3033）和水性消泡剂（BD-304）各1.5 g于该混合溶液中。最后该混合溶液置于球磨机中进行研磨得到本发明的纳米炭黑散热涂料，其中研磨速度为450 r/min、研磨时间为6小时。倒出球磨好的涂料封存待用。

按实施例1和实施例2所记载的方法进行测试可知，本实施例制备得到的涂料也具有实施例1和实施例2相类似的升温和降温变化趋势。说明本发明的纳米炭黑散热涂料具有良好的散热效果。

综合上述之实施例可得知，本发明只需将该纳米炭黑涂料涂布于散热装置上，就具有良好的散热效果。

Claims (4)

1.一种纳米炭黑散热涂料，其特征是，包括如下组分：

水性树脂                             30～60质量份；

纳米炭黑                             3～15质量份；

纳米炭黑的分散剂                     0.5～2.5质量份；

水性流平剂                           0.5～1.5质量份；

水性消泡剂                           0.5～1.5质量份；

溶剂                                 30～40质量份；

所述溶剂是水和/或乙醇。

2.根据权利要求1所述的纳米炭黑散热涂料，其特征在于：所述水性树脂为水性有机硅树脂、水性环氧树脂或水性聚氨酯树脂。

3.根据权利要求1所述的纳米炭黑散热涂料，其特征在于：所述纳米炭黑的粒径小于20 nm。

4.一种制备权利要求1的纳米炭黑散热涂料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

称取30～60质量份的水性树脂、30～40质量份的溶剂、3～15质量份的纳米炭黑粉末、0.5～1.5质量份的水性流平剂、0.5～2.5质量份的纳米炭黑的分散剂和0.5～1.5质量份的水性消泡剂，并充分混合得到混合溶液，所述溶剂是水和/或乙醇；后将所述混合溶液置于球磨机中进行球磨，其研磨速度为400～600 r/min、研磨时间为4～6小时。

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