一种水性石墨烯散热涂料及其制备、喷涂方法与流程

1.本公开涉及散热涂料领域，具体地，涉及一种水性石墨烯散热涂料及其制备、喷涂方法。


背景技术：

2.散热涂料是通过向涂料中添加金属导热填料与非金属导热填料，从而提高涂料的散热性能，在散热元器件、散热基板材料、加热元件等器材中使用散热涂料，可以将电子元件温度控制在正常的范围内。常用的高导热填料分为碳基类填料，如：石墨烯、碳纤维、金刚石等；金属类填料，如：银(ag)、铜(cu)、铝(al)等；陶瓷类填料，如：碳化硅(sic)、氧化镁(mgo)、氮化硼(bn)等。其中，石墨烯单层导热率为5300w/m
·
k，超过了现有的其他导热材料，在导热材料领域具有十分高的应用价值。而且，石墨烯还具有超高的比表面积，且机械强度高、化学稳定性好，这些性能使得石墨烯在涂料领域具有广泛的应用前景。
3.传统溶剂型散热涂料含有大量有机溶剂，释放挥发性有机物(voc)，不仅污染环境，在运输储存过程中也具有一定的安全隐患，故其应用愈来愈受到限制。水性石墨烯散热涂料以水为溶剂，具有低污染、易净化、无刺激、提高安全性等特点，成为涂料行业大力发展的绿色环保型涂料。但是，目前石墨烯散热涂料中，石墨烯难以形成导热通路，散热效果仍然达不到应用要求。
4.因此，亟需提供一种石墨烯散热涂料，使石墨烯在涂料中具有形成导热通路的能力，增加涂料的散热性能。


技术实现要素：

5.本公开提供了一种水性石墨烯散热涂料及其制备方法，该水性石墨烯散热涂料低污染、易净化、无刺激、安全性高。
6.为了实现上述目的，本公开第一方面提供了一种水性石墨烯散热涂料，所述水性石墨烯散热涂料中的组分包括水性树脂、石墨烯分散浆料、去离子水、导热粒子、导电炭黑、第一助剂和第二助剂；
7.其中，所述水性石墨烯散热涂料中包括：20
‑
55重量份的水性树脂、30
‑
65重量份的石墨烯分散浆料、5
‑
45重量份的去离子水、1.5
‑
12重量份的导热粒子、0.5
‑
2重量份的导电炭黑、5
‑
20重量份的第一助剂和3
‑
8重量份的第二助剂。
8.本公开第二方面提供了第一方面所述的水性石墨烯散热涂料的制备方法，所述方法包括如下步骤：s1、将水性树脂、去离子水和第一助剂混合后将其分散搅拌得到第一混合物；s2、将导热粒子、导电炭黑和石墨烯分散浆料加入到所述第一混合物中，得到第二混合物；s3、将所述第二混合物研磨至其中的固形物粒径小于10μm，过滤得到导热黑浆；s4、将所述导热黑浆、去离子水、水性树脂和第二助剂加入容器中搅拌均匀后得到水性石墨烯散热涂料；所述步骤s2还包括：向第二混合物中加入研磨介质，所述第二混合物与研磨介质添加量的质量比为1：(0.2
‑
0.4)。
9.本公开第三方面提供了第一方面所述的水性石墨烯散热涂料的喷涂方法，其中，所述喷涂方法的步骤包括：a1、将金属基材进行预处理，清除所述金属基材表面的污物；a2、将水性石墨烯散热涂料搅拌均匀后喷涂到所述金属基材表面，将其置于烘箱干燥处理。
10.通过上述技术方案，本公开采用石墨烯分散体作为散热填料，分散性好、导热性能优，能够有效对散热器、发热器进行辐射散热与传导散热；且通过加入不同粒径的导热粒子，桥接石墨烯和填料粒子，提高石墨烯在涂料中形成导热通路的能力，减少界面散射，增加涂料的散热性能。
11.本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
12.以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
13.本公开第一方面提供了一种水性石墨烯散热涂料，其中，所述水性石墨烯散热涂料中的组分包括水性树脂、石墨烯分散浆料、去离子水、导热粒子、导电炭黑、第一助剂和第二助剂；其中，所述水性石墨烯散热涂料中包括：20
‑
55重量份的水性树脂、30
‑
65重量份的石墨烯分散浆料、5
‑
45重量份的去离子水、1.5
‑
12重量份的导热粒子、0.5
‑
2重量份的导电炭黑、5
‑
20重量份的第一助剂和3
‑
8重量份的第二助剂。
14.根据本公开，其中，所述水性石墨烯散热涂料中包括：25
‑
50重量份的水性树脂、35
‑
60重量份的石墨烯分散浆料、5
‑
15重量份的去离子水、3
‑
8重量份的导热粒子、0.6
‑
1.6重量份的导电炭黑、5
‑
15重量份的第一助剂和3.5
‑
6重量份的第二助剂。
15.根据本公开，其中，所述导热粒子包括碳纳米管和棒状氧化锌中的至少一种；所述水性树脂包括水性羟基丙烯酸树脂、水性有机硅改性丙烯酸树脂和环氧树脂中的至少一种；所述第一助剂包括分散剂、消泡剂、润湿分散剂和偶联剂中的至少一种；所述第二助剂包括分散剂、消泡剂、润湿分散剂、流平剂和成膜助剂中的至少一种。
16.根据本公开，其中，所述导热粒子优选为碳纳米管。碳纳米管导热粒子在石墨烯层与层之间，与导电炭黑之间形成骨架，防止片层石墨烯接触的相对滑动，使石墨烯层与层之间的接触更加牢固；并且碳纳米管桥接更多层石墨烯，更加容易形成导热通路。碳纳米管导热粒子含量不宜过多，否则容易堆积加大层与层的接触面积，增加界面散射，降低涂料的散热性能。
17.根据本公开，其中，所述导电炭黑优选用结晶度大、表面积大的导电炭黑粒子，粒子电子传输能力高，散热能力好。
18.根据本公开，其中，所述分散剂包括高分子聚合物、丙烯酸酯聚铵盐、共聚体之烷醇铵盐、改性聚氨酯和嵌段共聚物类分散剂中的至少一种；所述消泡剂为有机硅类消泡剂、聚醚硅氧烷类消泡剂中的至少一种；所述成膜助剂为醇酯类和/或醇醚类中的至少一种；所述流平剂为有机改性硅氧烷、丙烯酸酯共聚体、有机硅类、高分子量聚二甲基硅氧烷和氟碳高分子化合物中的至少一种；所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂中的至少一种；所述润湿分散剂为有机硅类表面助剂。
19.本公开第二方面提供了第一方面所述的水性石墨烯散热涂料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：s1、将水性树脂、去离子水和第一助剂混合后将其分散搅拌
得到第一混合物；s2、将导热粒子、导电炭黑和石墨烯分散浆料加入到所述第一混合物中，得到第二混合物；s3、将所述第二混合物研磨至其中的固形物粒径小于10μm，过滤得到导热黑浆；s4、将所述导热黑浆、去离子水、水性树脂和第二助剂加入容器中搅拌均匀后得到水性石墨烯散热涂料；所述步骤s2还包括：向第二混合物中加入研磨介质，所述第二混合物与研磨介质添加量的质量比为1：(0.2
‑
0.4)。
20.根据本公开，其中，步骤s1中，所述分散搅拌的条件包括：搅拌速率为500
‑
800rpm，搅拌时间为0.5
‑
2h；步骤s2中，所述分散搅拌的条件包括：搅拌速率为400
‑
1500rpm，搅拌时间为1
‑
4h；步骤s3中，研磨的条件包括：研磨时间为3
‑
18h，研磨速率为800
‑
3000rpm，研磨介质的粒径范围为0.4
‑
2.0mm；所述研磨介质为氧化锆珠。
21.本公开第三方面提供了第一方面所述水性石墨烯散热涂料的喷涂方法，其中，所述喷涂方法的步骤包括：a1、将金属基材进行预处理，清除所述金属基材表面的污物；a2、将水性石墨烯散热涂料搅拌均匀后喷涂到所述金属基材表面，将其置于烘箱干燥处理。
22.根据本公开，其中，步骤a1中的预处理包括：将金属基材进行打磨、超声清洗、烘干；
23.根据本公开，其中，步骤a2中所述搅拌的条件包括：搅拌速率为400
‑
1500rpm，搅拌时间为0.5
‑
1h；喷涂条件包括：喷涂压力为3
‑
5bar，喷涂厚度为15
‑
40μm。
24.下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。
25.实施例1
26.(1)将42g水性羟基丙烯酸树脂、4.5g去离子水、9.2g第一助剂(1.2g分散剂tnwdis、1.5g分散剂dego
‑
755w、1.5g分散剂byk190、3.75g分散剂4900和1.25g消泡剂dego
‑
902w)混合后加入研磨罐中，在800rpm转速下分散搅拌1h，得到搅拌均匀的第一混合物；然后向第一混合物中加入88g石墨烯分散浆料、5.25g碳纳米管、1.05g导电炭黑、再加入0.8～1.0mm与1.4～1.6mm的氧化锆珠，得到第二混合物，氧化锆珠的加入量为第二混合物质量的35％，其中两种粒径的氧化锆珠质量比2:1，研磨至粒径小于10μm，将第二混合物中的氧化锆珠过滤除去，得到导热黑浆；称取92g导热黑浆、4.5g去离子水、3.5g第二助剂(0.5g偶联剂ld
‑
9s、1g消泡剂byk
‑
028、1g成膜剂十二碳醇酯、1g流平剂byk
‑
381)加入到分散罐中，在1100rpm转速下分散搅拌3h，得到水性石墨烯散热涂料，粘度为750mpa s；
27.(2)喷涂水性石墨烯散热涂料：对金属基材进行预处理：用500、1000目的砂纸先后打磨，清洗基材，然后用丙酮超声清洗基材，最后用乙醇超声清洗基材、烘干，进行喷涂，喷涂压力为3～5bar，喷涂厚度为15～40μm；将喷涂完成后的所述样品进行干燥处理；
28.(3)对上述样品的涂层进行性能测试：测试玻璃板上的干膜的方阻和电性能的稳定性、刷涂在马口铁板上干膜的附着力、厚度、水性石墨烯散热涂料样品的粘度和刷涂在铝片上的干膜的涂层硬度，测试结果如表1所示；将本实施例的水性石墨烯散热涂料喷涂在led灯铝合金散热器表面，散热效果如表2所示。
29.导电性能测试：将水性石墨烯散热涂料涂覆在玻璃基板上，使其干膜厚度为25μm，待其干燥后，将样品放置在测试仪操作台，采用四探针法测试，接通电流，选择方阻类别进行测试；
30.涂层厚度测试：涂层烘干后采用林上ls221涂层测厚仪测试涂层厚度，该设备用于干膜测试，能测试铝和铁基材表面的涂层厚度，每个样品测试5个点，取5个测试值的平均
值。
31.涂层硬度测试：涂层硬度采用铅笔硬度计测试，依次从硬度小的铅笔开始测试，直到用某个硬度值的铅笔划破涂层或留下划痕，则该涂层的硬度为前一个铅笔的硬度值。每组样品依次测试3次，得到该试样的涂层硬度。
32.涂层附着力测试：涂层附着力采用qfh
‑
a600及配套放大镜测试，划格器在试样中间处横竖垂直划出100个穿透涂层的格子，形成格阵图形，随后用软刷轻扫表面，再用3m胶带从胶带中间与划线呈平行位置粘牢在划格处，在0.5～1.0s内撕开胶带，用放大镜放大表面进行测试结果记录。
33.涂层散热效果：将散热涂料喷涂在led灯铝合金散热器上面，测试普通铝合金散热器与喷涂散热涂料的散热器在相同功率下的温度，测试初始温度与最高温度，对比两者的散热温度差。
34.实施例2
35.(1)将42g水性羟基丙烯酸树脂、4.5g去离子水、9.2g第一助剂(1.2g润湿剂byk349、1.5g分散剂dego
‑
755w、1.5g分散剂byk190、3.75g分散剂4900和1.25g消泡剂dego
‑
902w)加入研磨罐中，在800rpm转速下分散搅拌1h，得到搅拌均匀的混合物；然后向混合物中加入88g石墨烯分散浆料、5.25g棒状氧化锌、1.05g导电炭黑、再加入0.8～1.0mm与1.4～1.6mm的氧化锆珠，得到第二混合物，氧化锆珠的加入量为第二混合物质量的35％，其中两种粒径的氧化锆珠质量比2:1，研磨至粒径小于10μm，将第二混合物中的氧化锆珠过滤除去，得到导热黑浆；称取92g导热黑浆、4.5g去离子水、3.5g第二助剂(0.5g偶联剂ld
‑
9s、1g消泡剂byk
‑
028、1g成膜剂十二碳醇酯、1g流平剂byk
‑
381)加入到分散罐中，在1100rpm转速下分散搅拌3h，得到水性石墨烯散热涂料，粘度为680mpa s；
36.步骤(2)和(3)与实施例1相同。
37.实施例3
38.(1)将39g水性有机硅改性丙烯酸树脂、7.5g去离子水、9.2g第一助剂(1.2g分散剂tnwdis、1.5g分散剂dego
‑
755w、1.5g分散剂byk190、3.75g分散剂4900、1.25g消泡剂dego
‑
902w)加入研磨罐中，在800rpm转速下分散搅拌1h，得到搅拌均匀的混合物；然后向混合物中加入88g石墨烯分散浆料、5.25g碳纳米管、1.05g导电炭黑、再加入0.8～1.0mm与1.4～1.6mm的氧化锆珠，得到第二混合物，氧化锆珠的加入量为第二混合物质量的35％，其中两种粒径的氧化锆珠质量比2:1，研磨至粒径小于10μm，将第二混合物中的氧化锆珠过滤除去，得到导热黑浆；称取90g导热黑浆、6.5g去离子水、3.5g第二助剂(1g消泡剂byk
‑
024、0.5g偶联剂ld
‑
9s、1g成膜剂十二碳醇酯、1g流平剂byk
‑
381)加入到分散罐中，在1100rpm转速下分散搅拌3h，得到水性石墨烯散热涂料，粘度为830mpa s；
39.(2)喷涂水性石墨烯散热涂料：对金属基材进行预处理：用500、1000目的砂纸先后打磨，清洗基材；用丙酮超声清洗基材；最后用乙醇超声清洗基材、烘干。然后将使用水性石墨烯散热涂料对基材表面进行喷涂，喷涂压力为3～5bar，喷涂厚度为15～40μm；将喷涂完成后的所述样品进行干燥处理；
40.(3)对涂层进行性能测试：玻璃板上的干膜的方阻和电性能的稳定性、刷涂在马口铁板上干膜的附着力、厚度，测试水性石墨烯散热涂料样品的粘度和涂层的硬度，具体测试结果如表1所示。本实施例的散热涂料耐温效果更好，更加适合在高温加热丝、加热管上面
的使用，使用效果对比如表3所示。
41.实施例4
42.(1)将39g水性有机硅改性丙烯酸树脂、7.5g去离子水、9.2g第一助剂(1.2g润湿剂byk349、1.5g分散剂dego
‑
755w、1.5g分散剂byk190、3.75g分散剂4900、1.25g消泡剂dego
‑
902w)加入研磨罐中，在800rpm转速下分散搅拌1h，得到搅拌均匀的混合物；然后向混合物中加入88g石墨烯分散浆料、5.25g棒状氧化锌、1.05g导电炭黑、再加入0.8～1.0mm与1.4～1.6mm的氧化锆珠，得到第二混合物，氧化锆珠的加入量为第二混合物质量的35％，其中两种粒径的氧化锆珠质量比2:1，研磨至粒径小于10μm，再将球磨液体中的氧化锆珠过滤除去，得到导热黑浆；称取90g导热黑浆、6.5g去离子水、3.5g第二助剂(1g消泡剂byk
‑
024、0.5g偶联剂ld
‑
9s、1g成膜剂十二碳醇酯、1g流平剂byk
‑
381)加入到分散罐中，在1100rpm转速下分散搅拌3h，得到水性石墨烯散热涂料，粘度为810mpa s；
43.步骤(2)和(3)与实施例2相同。本实施例的散热涂料耐温效果更好，更加适合在高温加热丝、加热管上面的使用，使用效果对比如表3所示。
44.对比例1
45.使用与实施例2相同的方法制备水性石墨烯散热涂料并对金属基材表面进行喷涂，唯一不同的是本对比例中制备水性石墨烯散热涂料的原料中没有导热粒子碳纳米管，碳纳米管成分用水代替。然后对涂层的性能、散热效果和使用效果进行测试，结果见表1、2和3所示。
46.表1水性石墨烯散热涂料性能
[0047][0048]
附着力从优开始排序0级、1级、2级、3级、4级、5级共6个等级，1级附着力满足工业需求。
[0049]
从上述实施例1
‑
4和对比例1的性能测试结果可以看出：本公开所述的水性石墨烯散热涂料附着力优异，符合散热器的工业使用，而且涂料的粘度可以根据施工工艺调节，可以利用本公开所述方法设计两款耐温程度不同的散热涂料，分别使用在散热器与高温发热管上面，充分利用了石墨烯的传导传热与辐射传热的优势，制作工艺简单，但能大大提高散热器与发热丝的传热效果。
[0050]
表2散热效果对比
[0051]
样品功率/w开始温度/℃最高稳定温度/℃温差/℃未喷涂40214928实施例140214322实施例2402144.523.5
[0052]
表3水性石墨烯散热涂料发热管上面的使用效果
[0053][0054][0055]
本公开的水性石墨烯散热涂料散热效果优异，可以加强产品的热管理，且在制作过程中未添加有机溶剂，采用水性树脂为主体，涂料低污染、易净化、无刺激、提高安全性等特点，符合当前绿色发展的目标。
[0056]
以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0057]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0058]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。