一种导热水凝胶及其制备方法与流程

1.本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种导热水凝胶及其制备方法。


背景技术：

2.在日常生活中，手机发烫是我们经常遇到的问题，在长时间通话或玩游戏时，有些机型发热的温度能达到50度以上，用户使用手机时会出现烫手的情况，若无法及时地将热排除，导致手机内部温度升高，影响手机的运行性能，系统停止正常运作，甚至使手机电池损坏，发生爆炸，存在安全隐患。
3.水凝胶是一种含水量超过90％的准固态材料，能够模拟生物的发汗散热过程为发热体降温，是一种优异的被动式散热材料。当物体表面温度升高时，水凝胶开始发汗，内部的水分逐渐蒸发，可以大幅降低物体的表面温度。
4.但现有的水凝胶发汗后需要将其取出，并浸泡于水中才能再次吸水，继而正常工作，频繁的手动补水会影响水凝胶结构的稳定性和有效性，导热性能下降，使得其散热效果降低。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种导热水凝胶及其制备方法。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：
7.水凝胶
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60份-80份；
8.导热粉体
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2份-10份；
9.吸湿性盐
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7份-20份。
10.在一个实施例中，所述水凝胶是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的。
11.在一个实施例中，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种。
12.在一个实施例中，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
13.在一个实施例中，还包括：10份-20份重量份数的相变物质。
14.在一个实施例中，所述相变物质包括：吸附相变粉体后的微胶囊、吸附相变粉体后的石墨和吸附相变粉体后的气凝胶中的至少一种。
15.在一个实施例中，所述相变粉体为烷烃蜡，所述烷烃蜡的烷烃碳原子数介于10-60之间。
16.在一个实施例中，还包括：3份-7份重量份数的感温变色粉体。
17.本发明还提供一种导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
18.将20份-30份的丙烯酰胺、1-5份的交联剂和1-5份的引发剂加入至60份-80份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
19.向60份-80份的所述水凝胶中加入2份-10份的导热粉体、10份-20份的相变物质和
3份-7份的感温变色粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
20.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
21.将所述次级导热水凝胶浸泡至7份-20份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
22.在一个实施例中，所述吸湿性盐的摩尔浓度为5-15mol/l。
23.本发明的有益效果是：本发明提供的一种导热水凝胶，通过水凝胶、导热粉体及吸湿性盐复合得到导热水凝胶，导热粉体能够形成导热水凝胶的骨架，不仅可以增强导热水凝胶的结构稳定性，在失水时仍然具有良好的结构稳定性，补充水分后具有较好的溶胀复原效果，而且能够增强水凝胶的导热能力，能够及时地将发热体产生的热量传导至导热水凝胶整体，快速消除局部“热点”，从而能够在高温下水分蒸发能够带走大量热量，配合吸湿性盐在低温下能够吸收空气中的水分进行自动补水，实现吸湿-散热的自动循环。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1为本发明一个实施例的一种导热水凝胶的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
26.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
27.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
28.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
29.在一个实施例中，一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：
30.水凝胶
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60份-80份；
31.导热粉体
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2份-10份；
32.吸湿性盐
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7份-20份。
33.在本实施例中，通过60份-80份的水凝胶、2份-10份的导热粉体及7份-20份的吸湿性盐复合得到导热水凝胶，导热粉体在导热水凝胶内均匀分布，能够形成导热水凝胶的骨架，不仅可以增强导热水凝胶的结构稳定性，使得在水凝胶失水时仍然具有良好的结构稳
定性，在补充水分后具有较好的溶胀复原效果，而且能够增强水凝胶的导热能力，能够及时地将发热体产生的热量传导至导热水凝胶整体，快速消除局部“热点”，即能够将局部的热量传导至整体，达到快速降温的效果，从而能够在高温下水分蒸发能够带走大量热量，配合吸湿性盐在低温下能够吸收空气中的水分进行自动补水，实现吸湿-散热的自动循环。
34.在本实施例中，对发热体表面降温时，通过将该导热水凝胶置于发热体表面，当发热体工作产生热量使得表面温度升高时，导热粉体能够快速将热量传导至导热水凝胶的整体结构上，导热水凝胶内的水凝胶内部的水分逐渐蒸发，能够降低发热体的表面温度，使得发热体具有较佳的工作温度，当发热体表面温度降低后，该导热水凝胶又可通过吸湿性盐自发吸收周围空气中的水分，使得该导热水凝胶中的水凝胶溶胀复原再生，能够自动循环工作，完成对发热体表面的降温。
35.在一个实施例中，所述水凝胶是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的。具体地，将20份-30份的丙烯酰胺、1-5份的交联剂和1-5份的引发剂加入至60份-80份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶，在本实施例中，所述交联剂为氯化钙，所述引发剂为过硫酸钾，在氯化钙及过硫酸钾的作用下，引发各丙烯酰胺单体之间相互交联，形成聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺是一种高分子网络体系，具有一部分疏水基团和亲水基团，通过亲水基团与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水基团遇水膨胀，整体性质柔软，能吸收大量的水，从而能够通过水凝胶内部的水分逐渐蒸发，能够降低发热体的表面温度。
36.在一个实施例中，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种。具体地，氧化铝是铝的稳定氧化物，是绝缘导热聚合物填料，具有良好的绝缘和导热性能，同时易吸潮而不潮解，能够作为吸湿性盐，在低温时为水凝胶补充水分，氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，电绝缘性和导热性能好，氧化铝和氮化硼作为导热粉体，均能够及时地将发热体产生的热量传导至导热水凝胶整体。
37.在一个实施例中，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。具体地，氯化镁含有六个分子的结晶水，具有易潮解的特点，氯化钠同样在空气中有潮解性，两者作为吸湿性盐，能够在低温时吸收空气中的水分为失水的水凝胶自动补水，达到溶胀复原的效果，从而使得导热水凝胶能够自动循环工作，完成对发热体表面的降温。
38.在一个实施例中，所述水凝胶的重量份数为60份-80份，所述导热粉体的重量份数为2份-10份，所述吸湿性盐的重量份数为7份-20份，所述水凝胶的重量份数过少，则无法有效地通过水凝胶内部的水分逐渐蒸发，降低发热体的表面温度，所述水凝胶的重量份数过多，则会导致所述导热水凝胶的结构稳定性较差，导热系数较低，所述导热粉体的重量份数较高，则会使得水凝胶的比例降低，影响导热水凝胶的降温效果，所述导热粉体的重量份数较低，则会导热水凝胶的导热系数降低，且结构的稳定性降低，吸水复原时溶胀效果差，所述吸湿性盐的重量份数过高，会影响导热粉体及水凝胶的比例，影响导热及降温效果，所述吸湿性盐的重量份数过低，则无法及时在低温时吸收空气中的水分为失水的水凝胶补水。
39.为了提高导热水凝胶的吸热能力，在一个实施例中，所述导热水凝胶还包括：10份-20份重量份数的相变物质。具体地，所述相变物质包括：吸附相变粉体后的微胶囊、吸附相变粉体后的石墨和吸附相变粉体后的气凝胶中的至少一种，所述相变粉体为烷烃蜡，所述烷烃蜡的烷烃碳原子数介于10-60之间，通过对相变粉体进行吸附或包覆处理，能够避免
在相变粉体在转变物理形态时，出现溢出造成出油的情况，相变物质具有较高的相变潜热，相变焓在180-220kj/kg，能够很好地对发热体产生的热量进行吸收并储存。在发热体工作产生热量时，水凝胶能够通过水分蒸发能够带走大量热量，降低发热体的工作时的温度，配合相变物质转变物理形态进行吸热储热，能够降低发热体工作时的温度，进一步提高了导热水凝胶的降温效果。
40.在一个实施例中，所述导热水凝胶还包括：3份-7份重量份数的感温变色粉体。具体地，通过在导热水凝胶内增加感温变色粉体，使得所述导热水凝胶具有良好的温度指示效果，能够便于直观观测到发热体的温度变化情况，例如，在发热体壳体温度低于30-40℃条件下，感温变色粉体使得导热水凝胶呈现为某一种颜色，高于40℃条件下，感温变色粉体使得导热水凝胶呈现为另一种颜色，从而导热水凝胶贴合于发热体上时，其颜色能够随着发热体的表面温度改变而改变，便于直观了解发热体的温度变化情况。
41.在一个实施例中，所述导热水凝胶包括：60份-80份的水凝胶、2份-10份的导热粉体、7份-20份的吸湿性盐、10份-20份的相变物质和3份-7份的感温变色粉体。在本实施例中，通过水凝胶、导热粉体、相变物质、感温变色粉体及吸湿性盐复合得到导热水凝胶，导热粉体能够形成导热水凝胶的骨架，相变物质附着在导热粉体上，不仅可以增强导热水凝胶的结构稳定性，在失水时仍然具有良好的结构稳定性，补充水分后具有较好的溶胀复原效果，而且能够增强水凝胶的导热能力，能够及时地将发热体产生的热量传导至导热水凝胶整体，水凝胶在高温下水分蒸发能够带走大量热量，配合相变物质转变物理形态进行吸热储热，快速消除局部“热点”，能够降低发热体工作时的温度，进一步提高了导热水凝胶的降温效果，配合吸湿性盐在低温下能够吸收空气中的水分进行自动补水，实现吸湿-散热的自动循环，同时所述导热水凝胶还具有良好的温度指示效果，能够便于直观观测到发热体的温度变化情况。
42.在一个实施例中，如图1所示，本发明还提供一种导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
43.步骤110，将20份-30份的丙烯酰胺、1-5份的交联剂和1-5份的引发剂加入至60份-80份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶。
44.步骤120，向60份-80份的所述水凝胶中加入2份-10份的导热粉体、10份-20份的相变物质和3份-7份的感温变色粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶。
45.步骤130，将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶。
46.步骤140，将所述次级导热水凝胶浸泡至7份-20份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。具体地，所述吸湿性盐的摩尔浓度为5-15mol/l。
47.在本实施例中，通过水凝胶、导热粉体、相变物质、感温变色粉体及吸湿性盐复合得到导热水凝胶，导热粉体能够形成导热水凝胶的骨架，相变物质附着在导热粉体上，不仅可以增强导热水凝胶的结构稳定性，在失水时仍然具有良好的结构稳定性，补充水分后具有较好的溶胀复原效果，而且能够增强水凝胶的导热能力，能够及时地将发热体产生的热量传导至导热水凝胶整体，水凝胶在高温下水分蒸发能够带走大量热量，配合相变物质转变物理形态进行吸热储热，快速消除局部“热点”，能够降低发热体工作时的温度，进一步提高了导热水凝胶的降温效果，配合吸湿性盐在低温下能够吸收空气中的水分进行自动补水，实现吸湿-散热的自动循环，同时所述导热水凝胶还具有良好的温度指示效果，能够便
于直观观测到发热体的温度变化情况。
48.下面用具体实施例进一步描述本发明。
49.实施例1
50.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：60份的水凝胶、2份的导热粉体和7份的吸湿性盐。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝，所述吸湿性盐包括：氯化镁。
51.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
52.将30份的丙烯酰胺、2份的氯化钙和2份的过硫酸钾加入至60份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
53.向60份的所述水凝胶中加入2份的导热粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
54.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
55.将所述次级导热水凝胶浸泡至7份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
56.实施例2
57.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：70份的水凝胶、5份的导热粉体和15份的吸湿性盐。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
58.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
59.将30份的丙烯酰胺、4份的氯化钙和4份的过硫酸钾加入至70份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
60.向70份的所述水凝胶中加入5份的导热粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
61.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
62.将所述次级导热水凝胶浸泡至15份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
63.实施例3
64.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：80份的水凝胶、10份的导热粉体、20份的吸湿性盐。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
65.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
66.将30份的丙烯酰胺、5份的氯化钙和5份的过硫酸钾加入至80份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
67.向80份的所述水凝胶中加入10份的导热粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
68.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
69.将所述次级导热水凝胶浸泡至20份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热
水凝胶。
70.实施例4
71.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：60份的水凝胶、2份的导热粉体、7份的吸湿性盐和10份的相变物质。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
72.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
73.将30份的丙烯酰胺、2份的氯化钙和2份的过硫酸钾加入至60份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
74.向60份的所述水凝胶中加入2份的导热粉体和10份的相变物质，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
75.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
76.将所述次级导热水凝胶浸泡至7份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
77.实施例5
78.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：70份的水凝胶、5份的导热粉体、15份的吸湿性盐和15份的相变物质。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
79.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
80.将30份的丙烯酰胺、4份的氯化钙和4份的过硫酸钾加入至70份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
81.向70份的所述水凝胶中加入5份的导热粉体和15份的相变物质，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
82.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
83.将所述次级导热水凝胶浸泡至15份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
84.实施例6
85.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：80份的水凝胶、10份的导热粉体、20份的吸湿性盐和20份的相变物质。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
86.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
87.将30份的丙烯酰胺、5份的氯化钙和5份的过硫酸钾加入至80份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
88.向80份的所述水凝胶中加入10份的导热粉体和20份的相变物质，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
89.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
90.将所述次级导热水凝胶浸泡至20份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热
水凝胶。
91.实施例7
92.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：60份的水凝胶、2份的导热粉体、7份的吸湿性盐、10份的相变物质和3份的感温变色粉体。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
93.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
94.将30份的丙烯酰胺、2份的氯化钙和2份的过硫酸钾加入至60份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
95.向60份的所述水凝胶中加入2份的导热粉体、10份的相变物质和3份的感温变色粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
96.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
97.将所述次级导热水凝胶浸泡至7份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
98.实施例8
99.一种导热水凝胶，包括以下重量份数的组分：80份的水凝胶、10份的导热粉体、20份的吸湿性盐、20份的相变物质和7份的感温变色粉体。其中，所述是以丙烯酰胺为单体，去离子水为溶剂，在交联剂及引发剂的作用下制备得到的，所述导热粉体包括：氧化铝和氮化硼中的至少一种，所述吸湿性盐包括：氯化镁和氯化钠的至少一种。
100.该导热水凝胶的制备方法包括以下步骤：
101.将30份的丙烯酰胺、5份的氯化钙和5份的过硫酸钾加入至80份的去离子水中，搅拌至混合均匀，得到水凝胶；
102.向80份的所述水凝胶中加入10份的导热粉体、20份的相变物质和7份的感温变色粉体，搅拌至混合均匀，得到初级导热水凝胶；
103.将所述初级导热水凝胶进行加热烘干，得到次级导热水凝胶；
104.将所述次级导热水凝胶浸泡至7份-20份的吸湿性盐的水溶液中，完全溶胀后得到导热水凝胶。
105.性能测试：
106.以实施例1-8中的制备得到导热水凝胶为例，测定导热水凝胶的导热系数，相变焓值、吸水倍数及贴附于发热体上时，发热体的前后温度差。
107.表1导热水凝胶性能测定结果
[0108][0109]
由表1可知，本发明制备得到的导热水凝胶，具有良好的导热系数、相变焓值和吸水倍数，贴附于发热体表面时，通过水分蒸发能够带走大量热量，能够降低发热体工作时的温度，具有较好的降温效果。
[0110]
湿温循环测试：
[0111]
以实施例1、4、6和7中的制备得到导热水凝胶为例，测定导热水凝胶多次循环失水及吸水后的重量。
[0112]
实验条件：导热水凝胶规格为150mm*70mm，循环条件为在55摄氏度，湿度不做特别限制的情况下，保持0.5小时，然后再25摄氏度，湿度rh为70％的情况下，保持2小时，进行多次数循环。
[0113]
表2导热水凝胶多次循环后的重量测试结果
[0114][0115]
由表2可知，本发明制备得到的导热水凝胶，经过多次失水及吸水循环后，组分损失比小，组分稳定性好，重量能够保持稳定，导热水凝胶中的水凝胶能够溶胀复原再生，具有较好的复原再生效果，从而能够长期自动循环工作，实现对发热体表面的降温。
[0116]
各项性能测试：
[0117]
以实施例4中的制备得到导热水凝胶为例，测定导热水凝胶各项性能。
[0118]
表3导热水凝胶各项性能测定结果
[0119][0120]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0121]
以上所述实施方式仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。