CN113248958A - 一种散热静电吸附粉及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种散热静电吸附粉及制备方法，本发明的散热静电吸附粉使用时直接采用静电喷涂工艺喷涂在金属散热部件表面，整个过程无需消耗溶剂，无废弃物产生，使用过程操作简单、环保性高；其在金属散热部件表面形成的涂层，不但可以提高金属散热部件的散热效率，还可以改善金属散热部件的耐腐蚀性，显著延长金属散热部件的使用寿命。本发明公开的一种散热静电吸附粉的制备方法，利用纤维素纳米晶冷冻过程中自组装成片的特性，以纤维素纳米晶为载体使少层石墨烯自组装成片，进一步经过高温碳化获得大尺寸少层石墨烯，随后将大尺寸少层石墨烯与树脂粉、无机矿粉、助剂复配成具有散热功能的静电吸附粉，操作步骤简单。

Description

一种散热静电吸附粉及制备方法
技术领域
本发明涉及散热涂料技术领域，具体涉及一种散热静电吸附粉及制备方法。
背景技术
随着5G等高频通讯领域的快速发展，电子元件在高频下工作自身发热较多，一方面温度升高导致漏电流增加，加大了元器件的功耗，导致能耗增加；另一方面温度升高导致电子元件的使用寿命大大降低。根据阿伦尼乌斯方程(或公式)：温度每上升10℃，元器件运行寿命减半。比如电容器行业中遵循的10度法则：电容工作温度每下降10度，其寿命增加一倍，反过来电容温度升高10度，电容寿命减小一倍。目前，电子元件的降温方式以加装金属散热器为主，以铝、铜金属散热器为代表。
中国专利，申请号CN201110031374.6，公开了一种散热材料及其制备方法，将树脂粉、导热粉经过物理、化学处理好后加入电泳槽中，以铝合金散热器做阳极，经过电泳方式将散热材料施工到铝合金散热器表面，随后还需经过纯水洗净，放入烤箱烘烤，实现对散热器的降温。该方案采用电泳方式会产生电泳废水，后期还需要对电泳废水处理，否则产生环境污染。
石墨类导热材料中的石墨烯，具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷单层石墨烯的导热系数高达5300W/(m·K)，是目前为止导热系数最高的碳材料。石墨烯是一种二维碳材料，是单层、双层和少层石墨烯的统称。其中，单层石墨烯是指由一层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料；两层为“双层石墨烯”；3-10层的为“少层石墨烯”。石墨烯的各种突出优异性能只有在石墨烯质量很高时才能体现，随着层数的增加和内部缺陷的累积，石墨烯诸多优越性能都将降低。
化学气相沉积法，即(CVD)，是目前生产石墨烯薄膜研究较多的一种方法，该方法使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜。化学气相沉积法在制备后期，对于石墨烯的转移过程比较复杂，良品率较低。利用氧化还原法在制备石墨烯时，由于单层石墨烯非常薄，容易团聚，从而降低石墨烯的导热性能及比表面积。
中国专利，申请号CN200910187298.0，公开了一种大尺寸石墨烯的制备方法，利用真空蒸镀、射频溅射或者电子束沉积的方式，在固相衬底沉积一层金属薄膜，随后在金属薄膜表面旋涂一层含碳有机前驱体薄膜，经过高温碳化制成石墨烯膜，金属薄膜基体还需要经过酸腐蚀的方式去除，最终获得石墨烯膜。该方案前期制备金属膜基体用到的真空蒸镀、射频溅射、电子束沉积等制备方式对设备要求较高，效率较低，难以批量化生产，而且后期还要将金属薄膜基体通过酸洗工艺去除，产生新的废弃物。
中国专利，申请号CN201210436521.2，公开了一种石墨烯或氧化石墨烯的复合强化散热涂料，通过散热剂的加入可实现散热功能，但该复合强化散热涂料的配方中含有溶剂、重金属等物质，同样对环境不利。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种散热静电吸附粉及制备方法，本发明的散热静电吸附粉使用时直接采用静电喷涂工艺喷涂在金属散热部件表面，整个过程无需消耗溶剂，无废弃物产生，使用过程操作简单、环保性高；其在金属散热部件表面形成的涂层，不但可以提高金属散热部件的散热效率，还可以改善金属散热部件的耐腐蚀性，显著延长金属散热部件的使用寿命。本发明公开的一种散热静电吸附粉的制备方法，利用纤维素纳米晶冷冻过程中自组装成片的特性，以纤维素纳米晶为载体使少层石墨烯自组装成片，进一步经过高温碳化获得大尺寸少层石墨烯，随后将大尺寸少层石墨烯与树脂粉、无机矿粉、助剂复配成具有散热功能的静电吸附粉，操作步骤简单。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、高分子树脂40～60份、无机矿粉5～55份、助剂0.1～5份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
优选的技术方案是，所述的高分子树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、不饱和聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺中的一种或几种。
进一步优选的技术方案还有，所述的无机矿粉为碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、氢氧化铝、氢氧化镁、钛白粉中的一种或几种。
进一步优选的技术方案还有，所述的助剂为抗氧剂、热稳定剂、光稳定剂、流平剂、交联剂、着色剂中的一种或几种。
进一步优选的技术方案还有，所述的表面活性剂为硅酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
进一步优选的技术方案还有，所述石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水的质量比例为5：10：0.1：100。
为了确保上述散热静电吸附粉的顺利制备，现提出一种散热静电吸附粉的制备方法，包括如下步骤：
S1：少层石墨烯的剥离，将石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照质量比例5：10：0.1：100在高压均质机中复配，然后经高压均质循环回流处理，得含有少层石墨烯的悬浮液；
S2：少层石墨烯片状固体物的制备，将步骤S1制备的含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化，得少层石墨烯片状固体物；
S3：散热静电吸附粉的制备，将步骤S2制备的少层石墨烯片状固体物与无机矿粉、高分子树脂、助剂按照少层石墨烯片状固体物2份、高分子树脂40～60份、无机矿粉5～55份、助剂0.1～5份的质量份数配比，依次经高温熔融混合塑化、机械粉碎、过筛，得粒径小于80微米的散热静电吸附粉。
本发明的优点和有益效果在于：
1、本发明公开的一种散热静电吸附粉，使用时直接采用静电喷涂工艺喷涂在金属散热部件表面，整个过程无需消耗溶剂，无废弃物产生，使用过程操作简单、环保性高。
2、本发明公开的一种散热静电吸附粉，在金属散热部件表面形成的涂层，不但可以提高金属散热部件的散热效率，还可以改善金属散热部件的耐腐蚀性，显著延长金属散热部件的使用寿命。
3、本发明公开的一种散热静电吸附粉的制备方法，利用纤维素纳米晶冷冻过程中自组装成片的特性，以纤维素纳米晶为载体使少层石墨烯自组装成片，进一步经过高温碳化获得大尺寸少层石墨烯，随后将大尺寸少层石墨烯与树脂粉、无机矿粉、助剂复配成具有散热功能的静电吸附粉，操作步骤简单。
附图说明
图1是实施例1的步骤S1中高压均质循环回流处理制备的少层石墨烯的电镜扫描图；
图2是实施例1的步骤S2中含有少层石墨烯的悬浮液经冷冻干燥后得到的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片的电镜扫描图；
图3是实施例1的步骤S3中含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化后得到的少层石墨烯片状固体物的电镜扫描图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、PVC树脂40份、碳酸钙55份、热稳定剂3份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
优选地，PVC树脂的型号为SG-5型，碳酸钙为轻质碳酸钙，热稳定剂为硬脂酸锌/硬脂酸钙。
实施例1中一种散热静电吸附粉的制备方法，包括如下步骤：
S1：少层石墨烯的剥离，将石墨烯(50g)、纤维素纳米晶(100g)、十二烷基硫酸钠(1g)放入1000g水中，在均质机中以120MPa压力下循环回流6次，利用均质机的高压力、高剪切作用实现石墨烯的层间分离，十二烷基硫酸钠使分层的石墨烯、纤维素纳米晶与水形成含有少层石墨烯的悬浮液，避免了少层石墨烯二次团聚聚集；
S2：少层石墨烯片状固体物的制备，将步骤S1制备的含有少层石墨烯的悬浮液在-30℃以下冷冻干燥24h，冷冻干燥过程中利用纤维素纳米晶存在的羟基自组装成大尺寸的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片，即获得含有少层石墨烯的纤维素纳米晶有序层状结构固体物，随后在惰性气体氮气保护下经过高温碳化，碳化温度800℃，碳化4小时，自然冷却至室温，获得大尺寸少层石墨烯片状固体物；
S3：散热静电吸附粉的制备，将步骤S2制备的少层石墨烯片状固体物与无机矿粉、高分子树脂、助剂按照少层石墨烯片状固体物2份、PVC树脂40份、碳酸钙55份、热稳定剂3份的质量份数配比，在双螺杆挤出机中170℃下熔融挤出，塑化好的物料经过机械粉碎，研磨、过筛，得粒径小于80微米的散热静电吸附粉。
其中，实施例1的步骤S1中高压均质循环回流处理制备的少层石墨烯的电镜扫描图，参见图1；
实施例1的步骤S2中含有少层石墨烯的悬浮液经冷冻干燥后得到的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片的电镜扫描图，参见图2；
实施例1的步骤S3中含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化后得到的少层石墨烯片状固体物的电镜扫描图，参见图3。
实施例2
一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、PP树脂60份、氢氧化铝35份、钛白粉5份、抗氧剂0.1份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
优选地，PP树脂的型号为注塑级，氢氧化铝为纳米级，钛白粉为锐钛型，抗氧剂为B215。
实施例2中一种散热静电吸附粉的制备方法，包括如下步骤：
S1：少层石墨烯的剥离，将石墨烯(50g)、纤维素纳米晶(100g)、三乙基己基磷酸(0.1g)放入1000g水中，在均质机中以130MPa压力下循环回流4次，利用均质机的高压力、高剪切作用实现石墨烯的层间分离，三乙基己基磷酸使分层的石墨烯、纤维素纳米晶与水形成含有少层石墨烯的悬浮液，避免了少层石墨烯二次团聚聚集；
S2：少层石墨烯片状固体物的制备，将步骤S1制备的含有少层石墨烯的悬浮液在-30℃以下冷冻干燥24h，冷冻干燥过程中利用纤维素纳米晶存在的羟基自组装成大尺寸的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片，即获得含有少层石墨烯的纤维素纳米晶有序层状结构固体物，随后在惰性气体氮气保护下经过高温碳化，碳化温度1000℃，碳化4小时，自然冷却至室温，获得大尺寸少层石墨烯片状固体物；
S3：散热静电吸附粉的制备，将步骤S2制备的少层石墨烯片状固体物与无机矿粉、高分子树脂、助剂按照少层石墨烯片状固体物2份、PP树脂60份、氢氧化铝55份、钛白粉3份、抗氧剂0.1份的质量份数配比，在双螺杆挤出机中200℃下熔融挤出，塑化好的物料经过机械粉碎，研磨、过筛，得粒径小于80微米的散热静电吸附粉。
其中，实施例2的步骤S1中高压均质循环回流处理制备的少层石墨烯的电镜扫描图与实施例1中步骤S1中高压均质循环回流处理制备的少层石墨烯的电镜扫描图相同；
实施例2的步骤S2中含有少层石墨烯的悬浮液经冷冻干燥后得到的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片的电镜扫描图与实施例1的步骤S2中含有少层石墨烯的悬浮液经冷冻干燥后得到的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片的电镜扫描图相同；
实施例2的步骤S3中含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化后得到的少层石墨烯片状固体物的电镜扫描图与实施例1的步骤S3中含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化后得到的少层石墨烯片状固体物的电镜扫描图相同。
实施例3
一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、不饱和聚酯55份、硫酸钡40份、交联剂3份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
优选地，不饱和聚酯为邻苯型不饱和聚酯，硫酸钡为纳米沉淀硫酸钡，交联剂为三烯丙基异三聚氰酸酯。
实施例3中一种散热静电吸附粉的制备方法，包括如下步骤：
S1：少层石墨烯的剥离，将石墨烯(50g)、纤维素纳米晶(100g)、十二烷基硫酸钠(0.1g)放入1000g水中，在均质机中以150MPa压力下循环回流3次，利用均质机的高压力、高剪切作用实现石墨烯的层间分离，十二烷基硫酸钠使分层的石墨烯、纤维素纳米晶与水形成含有少层石墨烯的悬浮液，避免了少层石墨烯二次团聚聚集；
S2：少层石墨烯片状固体物的制备，将步骤S1制备的含有少层石墨烯的悬浮液在-30℃以下冷冻干燥24h，冷冻干燥过程中利用纤维素纳米晶存在的羟基自组装成大尺寸的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片，即获得含有少层石墨烯的纤维素纳米晶有序层状结构固体物，随后在惰性气体氮气保护下经过高温碳化，碳化温度1200℃，碳化4小时，自然冷却至室温，获得大尺寸少层石墨烯片状固体物；
S3：散热静电吸附粉的制备，将步骤S2制备的少层石墨烯片状固体物与无机矿粉、高分子树脂、助剂按照少层石墨烯片状固体物2份、不饱和聚酯55份、硫酸钡40份、交联剂3份的质量份数配比，在双螺杆挤出机中110℃下熔融挤出，塑化好的物料经过机械粉碎，研磨、过筛，得粒径小于80微米的散热静电吸附粉。
其中，实施例3的步骤S1中高压均质循环回流处理制备的少层石墨烯的电镜扫描图与实施例1中步骤S1中高压均质循环回流处理制备的少层石墨烯的电镜扫描图相同；
实施例3的步骤S2中含有少层石墨烯的悬浮液经冷冻干燥后得到的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片的电镜扫描图与实施例1的步骤S2中含有少层石墨烯的悬浮液经冷冻干燥后得到的石墨烯/纤维素纳米晶纳米片的电镜扫描图相同；
实施例3的步骤S3中含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化后得到的少层石墨烯片状固体物的电镜扫描图与实施例1的步骤S3中含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化后得到的少层石墨烯片状固体物的电镜扫描图相同。
实施例4
一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、尼龙43份、碳酸钙55份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
与实施例1中散热静电吸附粉的区别在于，将尼龙替换其中的PVC树脂，利用尼龙的韧性可提高散热静电吸附粉喷涂后涂层的抗开裂性能。
优选地，碳酸钙为轻质碳酸钙。
实施例4中散热静电吸附粉的制备方法与实施例1中散热静电吸附粉的制备方法相同。
实施例5
一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、环氧树脂45份、氢氧化铝50份、钛白粉3份、抗氧剂0.1份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
与实施例2中散热静电吸附粉的区别在于，将环氧树脂替换其中的PP树脂，利用环氧树脂的粘结性可提高散热静电吸附粉喷涂后涂层在金属基体上的附着力。
优选地，氢氧化铝为纳米级，钛白粉为锐钛型，抗氧剂为B215。
实施例5中散热静电吸附粉的制备方法与实施例2中散热静电吸附粉的制备方法相同。
实施例6
一种散热静电吸附粉，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、聚甲基丙烯酸甲酯50份、硫酸钡45份、交联剂3份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
与实施例3中散热静电吸附粉的区别在于，将聚甲基丙烯酸甲酯替换其中的不饱和聚酯，利用聚甲基丙烯酸甲酯的耐候性可提高散热静电吸附粉喷涂后涂层的耐候性能。
实施例6中散热静电吸附粉的制备方法与实施例3中散热静电吸附粉的制备方法相同。
将实施例1～6中制备的散热静电吸附粉分别通过静电喷涂的方式喷涂在尺寸规格相同的电子元件用铝质散热器的表面，本实施案例选择测试散热铝片规格为直径30mm，厚度1.5mm，并经过200℃高温处理20分钟，冷却后即在铝质散热器表面形成一层厚度范围50～100微米的散热涂层，并对实施例1～6中散热静电吸附粉静电喷涂对应的铝质散热器进行如表1所示的性能测试，测试结果参见表2：
表1实施例1～6中散热静电吸附粉静电喷涂对应铝质散热器的测试明细
Figure BDA0003116603260000091
表2实施例1～6中散热静电吸附粉静电喷涂对应铝质散热器的测试结果
Figure BDA0003116603260000092
Figure BDA0003116603260000101
由表2可知：实施例1～6中的散热静电吸附粉静电喷涂于铝质散热器表面形成的涂层均符合光泽试验、膜厚试验、百格试验、散热测试、高低温试验、耐酸性试验、耐碱性试验、盐雾试验和耐磨性试验的相关测试标准；
实施例1～6中采用本发明方法制备的散热静电吸附粉，利用纤维素纳米晶冷冻过程中自组装成片的特性，以纤维素纳米晶为载体使少层石墨烯自组装成片，进一步经过高温碳化获得大尺寸少层石墨烯，随后与树脂粉、无机矿粉、助剂复配成具有散热功能的静电吸附粉，操作步骤简单；本发明的散热静电吸附粉使用时直接采用静电喷涂工艺，整个过程无需消耗溶剂，无废弃物产生，使用过程环保性高，实现了发明目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种散热静电吸附粉，其特征在于，包括如下质量份数的组分：少层石墨烯片状固体物2份、高分子树脂40～60份、无机矿粉5～55份、助剂0.1～5份；所述的少层石墨烯片状固体物由石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照一定的质量比例复配，并依次经高压均质、冷冻干燥、高温碳化制备而成。
2.如权利要求1所述的散热静电吸附粉，其特征在于，所述的高分子树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、不饱和聚酯、环氧树脂、聚酰亚胺中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的散热静电吸附粉，其特征在于，所述的无机矿粉为碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、氢氧化铝、氢氧化镁、钛白粉中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的散热静电吸附粉，其特征在于，所述的助剂为抗氧剂、热稳定剂、光稳定剂、流平剂、交联剂、着色剂中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的散热静电吸附粉，其特征在于，所述的表面活性剂为硅酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或几种。
6.如权利要求1～5任一项所述的散热静电吸附粉，其特征在于，所述石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水的质量比例为5：10：0.1：100。
7.一种如权利要求6所述的散热静电吸附粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：少层石墨烯的剥离，将石墨烯、纤维素纳米晶、表面活性剂和水按照权利要求6中的质量比例在高压均质机中复配，然后经高压均质循环回流处理，得含有少层石墨烯的悬浮液；
S2：少层石墨烯片状固体物的制备，将步骤S1制备的含有少层石墨烯的悬浮液依次经冷冻干燥、高温碳化，得少层石墨烯片状固体物；
S3：散热静电吸附粉的制备，将步骤S2制备的少层石墨烯片状固体物与无机矿粉、高分子树脂、助剂按照权利要求1中的质量份数配比，依次经高温熔融混合塑化、机械粉碎、过筛，得粒径小于80微米的散热静电吸附粉。
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