CN111998310B - 一种多级红外散热路灯灯罩 - Google Patents

一种多级红外散热路灯灯罩 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级红外散热路灯灯罩，所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成。所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层；所述红外辐射涂料以碳化硅层作为底层兼绝缘层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿两层结构。该红外散热路灯灯罩利用球形石墨烯的褶皱形结构，在高分子的凝聚结合作用下，小分子高辐射无机粒子的配合下，实现多级红外快速散热。同时，内壁的反射涂层，具有高辐射和高反射的效果，减少了热量向灯罩的传递。两涂层结合，极大的降低了灯罩温度，延长了路灯使用寿命，同时减少能源消耗。

Description

一种多级红外散热路灯灯罩
技术领域
本发明属于红外散热技术领域，具体地涉及一种多级红外散热路灯灯罩。
背景技术
随着社会的发展，人类对能源的依赖性越来越高，但随着化石能源的逐步消耗，能源的成本越来越高，为此人类生活生产活动中对能源的更高效利用迫在眉睫。同时，人们对生产生活的品质要求越来越高，相同散热目的条件下，节能性成为了首选。
目前，生活中路灯散热设备主要是高比表面积金属微栅，通过增加金属微栅的表面积增加散热速度，但是其散热方式单一，散热效率相对较低，不能大幅增加路灯的寿命。
界面散热主要是高辐射材料表面散热，例如纯碳化硅、碳管等。但是其辐射率已经达到了常规散热极限(红外辐射率95％)。为了进一步增强散热，热传导热对流等散热原理必须引入并良好的应用。
另外，涂层必须具有一定的疏水性，进而防止雨水等对散热基材的腐蚀作用，从而提高散热***的稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种多级红外散热路灯灯罩，该红外散热路灯灯罩具有多级散热结构，并通过合理设计内部反射层以及外部散热涂层的材料堆叠结构实现了多级能量输入抑制、多级红外辐射和热对流散热的结合，为界面材料温度的降低提供了可行的方案，将其喷涂于路灯外壳表面，可以同时实现节能、快速大面积散热、防腐蚀等优点，为路灯的长寿命稳定运行提供了保障。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种多级红外散热路灯灯罩，所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成。所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层；所述红外辐射涂料以碳化硅层作为底层兼绝缘层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿两层结构。所述球形石墨烯尺寸为1～3um，由底层和上层组成的两层结构的总厚度不超过球形石墨烯尺寸的1/4；上层的厚度小于两层结构总厚度的1/10。所述涂料通过离心喷涂的方式形成层层组装结构。
进一步地，所述可石墨化高分子层由可石墨化高分子构成，所述可石墨化高分子选自分子量为4000-12000的聚酰亚胺、沥青、或聚丙烯腈。
进一步地，所述聚硅酸盐层为长石(K2O·Al2O3·6SiO2)层、云母(K2O·2Al2O3·6SiO2·2H2O)层、高岭土(Al2O3·2SiO2·22H2O)层、沸石(Na2O·Al2O3·3SiO2·22H2O)层或石榴石(3CaO·Al2O3·3SiO2)层。
进一步地，所述碳化硅层由超支化碳硅烷构成，所述超支化碳硅烷的分子量小于10000，支化度为1.2-1.4。
进一步地，所述红外散热路灯灯罩的制备方法为：
(1)将1重量份聚铝硅酸盐、1-3重量份超支化碳硅烷以及0.1-0.2份过氧化物交联剂混合均匀，离心喷涂于金属外壳内壁，并进行紫外固化，紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h。
(2)将1重量份聚铝硅酸盐、1-3重量份超支化碳硅烷以及0.1-0.2份过氧化物交联剂喷涂于金属内层。将1重量份球形石墨烯、0.05-0.1重量份可石墨化高分子低聚物、0.6-1.2重量份超支化碳硅烷以及0.04-0.16份过氧化物交联剂混合均匀，离心喷涂于金属外壳的外侧。并进行紫外固化，紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h。
(3)随后进行加热定型，得到红外散热路灯灯罩。
进一步地，所述过氧化物交联剂包括但不限于：过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸、2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷。
进一步地，所述球形石墨烯是由浓度为0.1mg/mL-1mg/mL的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和1300-1600℃热还原制备得到，所述球形石墨烯的ID/IG值不高于0.05，壁厚小于4个原子层。
进一步地，所述离心的离心力范围为4000-12000rcf。
进一步地，所述散热定型的具体方法为：在0-250℃下，升温速度小于5℃/min，控制保温1-3h；然后升温到500℃，升温速度小于5℃/min，控温保持1-3h；然后快速升温到1300℃，升温速度大于50℃/min，控温保持1-5min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：其一，本发明利用离心喷涂的方式，根据材料密度不同实现了绝缘导热涂层材料的层层定向组装，并最终实现了红外辐射散热；其二，聚铝硅酸盐层起到了红外屏蔽的作用，隔绝隔绝热量向灯罩传输的作用，同时结合高辐射碳化硅，增加辐射散热，降低灯罩热输入。可石墨化高分子层实为可碳化纳米薄膜，链接球形石墨烯和碳化硅起到铆钉的作用；球形石墨烯有两个作用：其一，将热从界面引导而出，到高比表面积球形石墨烯上，其二，球形石墨烯具有高辐射率，快速高效辐射热量，极大增强碳化硅的辐射效果，其二，球形石墨烯表面具有少量缺陷态结构，再者其外悬挂结构增强了发热材料表面的温度梯度，使得其可以和气体具有良好的热对流作用，进一步增强材料界面散热效果。再有，高温修复过的石墨烯微球等材料具有极好的空气耐氧性，可以在500摄氏度以内全功率长时间工作，因而具有良好的稳定性。内层屏蔽和辐射层减少能量输入；外层辐射层，将热量用多级热辐射的形式向外界快速散发，在内外层双重辐射下，灯罩温度快速降低。
石墨烯球和两层结构的厚度设计，尽可能减弱了界面层的热阻效应，同时增加石墨烯球作为散热主体的地位，提高辐射、对流以及热传导效果。上层的厚度小于总厚度的1/10，在起到铆钉作用的同时，对碳化硅辐射层没有过多的热阻效应。因此，该红外辐射散热路灯灯罩具有节能、高辐射、均匀散热的特点。
再有，石墨烯球本身具有一定的疏水性，在微球疏水表面的配合下，在微球间距的协调下，散热涂料表面具有良好的防雨水浸润性，保护保护金属外壳，不受外界雨水等的腐蚀，增强散热稳定性和持久性。
具体实施方式
为了使本发明的目的和效果变得更加明白，下面结合具体实施例进一步详述本发明。
实施例1
本发明提供了一种多级红外散热路灯灯罩，通过以下方法制备得到：
(1)将1重量份长石纳米粉、1重量份分子量为9800、支化度为1.2的超支化碳硅烷以及0.1重量份过氧化甲乙酮混合均匀，离心喷涂于金属外壳内壁，设置离心的离心力为4000rcf，并进行紫外固化，紫外固化的温度为60℃，时间为6h。
(2)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯溶液在200℃下进行喷雾处理，并经过HI在80℃下还原8h，随后在1600℃下散热6h，制备得到球形石墨烯。
经扫描电镜检测证明最终获得球形石墨烯，经拉曼检测检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.04，且其尺度为1μm,球形石墨烯壁厚为2个原子层。
(3)将1重量份聚铝硅酸盐、1重量份超支化碳硅烷以及0.1份过氧化物交联剂喷涂于金属外壳内部；将1重量份球形石墨烯和0.05重量份分子量为4000的聚酰亚胺、1重量份分子量为9800、支化度为1.2的超支化碳硅烷以及0.04重量份过氧化二异丙苯混合均，离心喷涂于金属外壳外侧，设置离心的离心力为5000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为60℃，时间为6h。
(4)随后采用微波散热定型工艺:在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后升温到1300℃，升温速度为55℃/min，控温保持1min，得到红外散热路灯灯罩。
上述方法制备得到的红外散热路灯灯罩的结构具体为：所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成。所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层，在能量屏蔽和输出的平衡下降低热界面能量输入；所述外层红外辐射涂料以碳化硅层作为底层辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射散热效率；可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，其厚度为底层和上层组成的两层结构的8％；球形石墨烯贯穿两层结构，作为外层辐射层，两层结构的厚度为球形石墨烯厚度的10％，球形石墨烯的比表面积巨大，辐射率高达98％，极大提高了红外辐射散热，同时高比表面积缺陷态石墨烯具有极好的热传导效果，可以和外界气体形成极好的热对流界面，增强散热。
经热成像仪对该多级红外辐射灯罩的路灯室温全功率工作下进行散热，温度稳定后灯罩温度维持在32℃左右；而没有外部散热涂层的灯罩消耗同样的时间后，其表面温度为43℃。因此，该多级红外辐射灯罩可广泛用于低功耗照明路灯。
实施例2
本发明提供了一种多级红外散热路灯灯罩，通过以下方法制备得到：
(1)将1重量份云母纳米粉、3重量份分子量为8000、支化度为1.4的超支化碳硅烷以及0.2重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，离心喷涂于金属外壳内壁，并进行紫外固化，设置离心的离心力为12000rcf，紫外固化的温度为120℃，时间为1h。
(2)将浓度为1mg/mL氧化石墨烯溶液在180℃下进行喷雾处理，并经过HI在100℃下还原2h，随后在1300℃散热1h，制备得到球形石墨烯。
经SEM检测证明最终获得球形高褶皱石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.05，且其尺度为3μm,球形石墨烯壁厚为3个原子层。
(3)将1重量份聚铝硅酸盐、3重量份超支化碳硅烷以及0.2份过氧化物交联剂喷涂于金属外壳内部；将1重量份球形石墨烯和0.1重量份分子量为10000的沥青、0.6重量份分子量为8000、支化度为1.3的超支化碳硅烷以及0.06重量份过氧化苯甲酸混合均匀，离心喷涂于金属外壳外侧，设置离心的离心力为12000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为3h。
(4)随后采用高温散热定型工艺：在0℃下，升温速度为4℃/min，控制保温2h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持2h；然后升温到1300℃，升温速度为60℃/min，控温保持2min，得到红外散热路灯灯罩。
上述方法制备得到的红外散热路灯灯罩的结构具体为：所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成。所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层，在能量屏蔽和输出的平衡下降低热界面能量输入；所述外层红外辐射涂料以碳化硅层作为底层辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射散热效率；可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，其厚度为底层和上层组成的两层结构的14％；球形石墨烯贯穿两层结构，作为外层辐射层，两层结构的厚度为球形石墨烯厚度的7％，球形石墨烯的比表面积巨大，辐射率高达98％，极大提高了红外辐射散热，同时高比表面积缺陷态石墨烯具有极好的热传导效果，可以和外界气体形成极好的热对流界面，增强散热。
经热成像仪对该多级红外辐射灯罩路灯室温全功率工作下进行散热，温度稳定后灯罩温度维持在35℃左右；而没有外部散热涂层的灯罩消耗同样的时间后，其表面温度为47℃。因此，该多级红外辐射灯罩可广泛用于低功耗照明路灯。
实施例3
本发明提供了一种多级红外散热路灯灯罩，通过以下方法制备得到：
(1)将1重量份高岭土纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.4的超支化碳硅烷以及0.1重量份过氧化二异丙苯混合均匀，离心喷涂于金属外壳内壁，设置离心的离心力为6000rcf，并进行紫外固化，紫外固化的温度为100℃，时间为2h。
(2)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯在220℃下进行喷雾处理，并经过HI在90℃下还原4h，随后在1300℃下散热4h，制备得到球形石墨烯。
经SEM检测证明最终获得多褶皱球形石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.01，且其尺度为1μm,球形石墨烯壁厚为3个原子层。
(3)将1重量份聚铝硅酸盐、2重量份超支化碳硅烷以及0.15份过氧化物交联剂喷涂于金属外壳内部；将1重量份球形石墨烯和0.1重量份分子量为10000的聚丙烯腈、1.2重量份分子量为8000、支化度为1.4的超支化碳硅烷以及0.16重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，离心喷涂于金属外壳外侧，设置离心的离心力为4000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为2h。
(4)随后采用高温散热定型工艺：在250℃下，升温速度为2℃/min，控制保温3h；然后升温到500℃，升温速度为4.5℃/min，控温保持3h；然后升温到1300℃，升温速度为55℃/min，控温保持1min，得到红外散热路灯灯罩。
上述方法制备得到的红外散热路灯灯罩的结构具体为：所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成。所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层，在能量屏蔽和输出的平衡下降低热界面能量输入；所述外层红外辐射涂料以碳化硅层作为底层辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射散热效率；可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，其厚度为底层和上层组成的两层结构的21％；球形石墨烯贯穿两层结构，作为外层辐射层，两层结构的厚度为球形石墨烯厚度的2％，球形石墨烯的比表面积巨大，辐射率高达98％，极大提高了红外辐射散热，同时高比表面积缺陷态石墨烯具有极好的热传导效果，可以和外界气体形成极好的热对流界面，增强散热。
经热成像仪对该多级红外辐射灯罩路灯室温全功率工作下进行散热，温度稳定后灯罩温度维持在30℃左右；而没有外部散热涂层的灯罩消耗同样的时间后，其表面温度为40℃。因此，该多级红外辐射灯罩可广泛用于低功耗照明路灯。
实施例4
本发明提供了一种多级红外散热路灯灯罩，通过以下方法制备得到：
(1)将1重量份石榴石纳米粉、3重量份分子量为8000、支化度为1.3的超支化碳硅烷以及0.1重量份氧化甲乙酮混合均匀，离心喷涂于金属外壳内壁，并进行紫外固化，设置离心的离心力为6000rcf，紫外固化的温度为120℃，时间为2h。
(2)将浓度为0.4mg/mL的氧化石墨烯在300℃下进行喷雾处理，并经过HI在90℃下还原5h，随后在1500℃下散热3h，制备得到球形石墨烯。
经SEM检测证明最终获得多褶皱球形石墨烯，经拉曼检测，该球形石墨烯的ID/IG值为0.03，且其尺度为2μm,球形石墨烯壁厚为3-4个原子层。
(3)将1重量份聚铝硅酸盐、1.3重量份超支化碳硅烷以及0.12份过氧化物交联剂喷涂于金属外壳内部；将1重量份球形石墨烯和0.06重量份分子量为5000的聚丙烯腈、1重量份分子量为8000、支化度为1.3的超支化碳硅烷以及0.06重量份过氧化甲乙酮混合均匀,离心喷涂于金属外壳外侧，设置离心的离心力为6000rcf，并同时经紫外固化，紫外固化的温度为80℃，时间为4h。
(4)随后采用高温散热定型工艺：在250℃下，升温速度为4℃/min，控制保温1h；然后升温到500℃，升温速度为3℃/min，控温保持1h；然后升温到1300℃，升温速度为60℃/min，控温保持5min，得到红外散热路灯灯罩。
上述方法制备得到的红外散热路灯灯罩的结构具体为：所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成。所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层，在能量屏蔽和输出的平衡下降低热界面能量输入；所述外层红外辐射涂料以碳化硅层作为底层辐射层，粗糙的表面积加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射散热效率；可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，其厚度为底层和上层组成的两层结构的2％；球形石墨烯贯穿两层结构，作为外层辐射层，两层结构的厚度为球形石墨烯厚度的10％，球形石墨烯的比表面积巨大，辐射率高达98％，极大提高了红外辐射散热，同时高比表面积缺陷态石墨烯具有极好的热传导效果，可以和外界气体形成极好的热对流界面，增强散热。
经热成像仪对该多级红外辐射灯罩路灯室温全功率工作下进行散热，温度稳定后灯罩温度维持在34℃左右；而没有外部散热涂层的灯罩消耗同样的时间后，其表面温度为42℃。因此，该多级红外辐射灯罩可广泛用于低功耗照明路灯。

Claims (8)

1.一种多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述红外散热路灯灯罩由金属外壳以及涂覆于金属外壳内壁的反射层涂料和涂覆于金属外壳外侧的红外辐射涂料构成；所述反射层涂料以聚铝硅酸盐层作为底层反射层，以碳化硅层为外层辐射层；所述红外辐射涂料以碳化硅层作为底层兼绝缘层，可石墨化高分子层作为上层兼铆钉固定层，球形石墨烯贯穿两层结构；所述球形石墨烯尺寸为1～3um，由底层和上层组成的两层结构的总厚度不超过球形石墨烯尺寸的1/4；上层的厚度小于两层结构总厚度的1/10；所述涂料通过离心喷涂的方式形成层层组装结构；所述可石墨化高分子层由可石墨化高分子构成，所述可石墨化高分子选自分子量为4000-12000的聚酰亚胺、沥青或聚丙烯腈。
2.根据权利要求1所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述聚铝硅酸盐层为长石层、云母层、高岭土层、沸石层或石榴石层。
3.根据权利要求1所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述碳化硅层由超支化碳硅烷构成，所述超支化碳硅烷的分子量小于10000，支化度为1.2-1.4。
4.根据权利要求1所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述红外散热路灯灯罩的制备方法为：
(1)将1重量份聚铝硅酸盐、1-3重量份超支化碳硅烷以及0.1-0.2份过氧化物交联剂混合均匀，离心喷涂于金属外壳内壁，并进行紫外固化，紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h；
(2)将1重量份聚铝硅酸盐、1-3重量份超支化碳硅烷以及0.1-0.2份过氧化物交联剂喷涂于金属内层；将1重量份球形石墨烯、0.05-0.1重量份可石墨化高分子低聚物、0.6-1.2重量份超支化碳硅烷以及0.04-0.16份过氧化物交联剂混合均匀，离心喷涂于金属外壳的外侧；并进行紫外固化，紫外固化的温度为60-120℃，时间为1-6h；
(3)随后进行加热定型，得到红外散热路灯灯罩。
5.根据权利要求4所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述过氧化物交联剂包括过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸、2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷。
6.根据权利要求4所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述球形石墨烯是由浓度为0.1mg/mL-1mg/mL的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和1300-1600℃热还原制备得到，所述球形石墨烯的ID/IG值不高于0.05，壁厚小于4个原子层。
7.根据权利要求4所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述离心的离心力范围为4000-12000rcf。
8.根据权利要求4所述多级红外散热路灯灯罩，其特征在于，所述加热定型的具体方法为：在0-250℃下，升温速度小于5℃/min，控制保温1-3h；然后升温到500℃，升温速度小于5℃/min，控温保持1-3h；然后快速升温到1300℃，升温速度大于50℃/min，控温保持1-5min。
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