一种水性石墨烯散热涂料及其制备方法与流程

1.本发明属于水性涂料技术领域，具体地，涉及一种水性石墨烯散热涂料及其制备方法。

背景技术：

2.散热涂料作为一种新型涂料，不仅具有装饰的基本功能，同时具有提高散热效率的作用，得到广泛的关注与研究。然而，目前市面上的绝大多数散热涂料均是采用价格昂贵的传热介质作为填料，生产工艺复杂，成本较高，不利于涂料的批量化生产与规模化应用。
3.石墨烯由于具有高红外发射率，高导热系数和高比表面积，使其成为涂料理想的导热添加剂材料。且石墨烯高的比表面积，也有利于其在涂料中分散后增大涂层的散热面积，此外，石墨烯本身就具有优异的热稳定性、耐候性、耐老化及机械强度等，因此，把石墨烯添加到涂料中，对于散热涂料的广泛应用具有重大意义。
4.但是，石墨烯材料为无机材料，与涂料的成膜基质(高分子聚合物)的相容性比较弱，现有技术中多采用分散剂来改善这一缺陷。分散剂具有促进分散、起到表面活性剂的效果，能够一定程度上改善石墨烯的分散效果，但是分散剂所起的作用有限，往往难以较大程度上实现石墨烯的分散，难以更充分发挥石墨烯的作用，从而影响到散热涂料更好的散热效果；另外，石墨烯作为添加的无机材料，由于界面结合力弱，加入涂料中会一定程度上降低涂层的力学性能。因此，研发一种能够明显改善石墨烯的分散作用、综合性能好的散热型涂料具有非常重要的意义。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种水性石墨烯散热涂料及其制备方法。
6.本发明以改性石墨烯作为主体散热基质，金属导热粉体作为辅助散热基质，石墨烯经过改性后，表面接枝有功能基团，使得石墨烯基体能够与成膜物质发生化学作用，促进石墨烯在涂料中的均匀分散，使石墨烯稳定、持续发挥散热作用，并且石墨烯还能促进成膜聚合物交联网络的形成，提高涂层的力学性能；另外，在分散剂的作用下，颗粒状的导热粉体填充于石墨烯片层之间，有助于形成搭接的散热网络结构，进一步提高石墨烯对于涂料的导热、散热效果；本发明能够实现石墨烯的有效利用，在显著提升涂料散热性能的基础上，也使涂料的力学性能有所改善，获得一种综合性能强的散热型涂料，具有广泛的应用范围。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.一种水性石墨烯散热涂料，包括如下重量份原料：水性环氧树脂50-60份、水性聚氨酯15-20份、改性石墨烯7-9份、导热粉体0.6-1份、分散剂2-3份、流平剂1.5-2份、水20-30份；
9.水性石墨烯散热涂料由如下步骤制成：
10.第一步、在反应罐中加入水性环氧树脂、水性聚氨酯和改性石墨烯和一半量的水，升高温度至60℃、超声分散30min；
11.第二步、降至室温后，加入分散剂、流平剂和导热粉体，在砂磨机中以1200r/min的转速分散1h，最后加入剩余的水，以1000r/min的转速进行再次研磨分散，当组分细度小于50μm时，用200目筛网过滤去除杂质后，获得水性石墨烯散热涂料。
12.进一步地，导热粉体为银粉、铜粉、铝粉中的一种或多种按任意比例的混合物，导热粉体的粒径小于1微米，片层状石墨烯经过改性后均匀分散于涂料中，在分散剂的作用下，颗粒状的导热粉体填充于石墨烯片层之间，有助于形成搭接的散热网络结构，进一步提高石墨烯对于涂料的导热、散热效果。
13.进一步地，分散剂和流平剂均为水性助剂。
14.进一步地，改性石墨烯通过如下步骤制成：
15.s1、称取一定量的4-氨甲基苯甲酸溶解于稀盐酸溶液中，形成质量浓度为12g/l的改性液；
16.s2、将氧化石墨烯超声分散于稀盐酸溶液中形成悬浮液，再加入改性液，升高温度至90℃，并在此温度下回流反应18-20h；
17.氧化石墨烯、稀盐酸溶液和改性液的用量之比为0.3g:100ml:25ml；
18.氧化石墨烯上含有的-cooh与4-氨甲基苯甲酸分子上的-nh2发生反应，在氧化石墨烯表面接枝链团；
19.s3、反应结束后，趁热抽滤，在超声作用下，用稀盐酸溶液将滤饼漂洗5min，过滤，再依次用稀盐酸溶液、乙醇重复洗涤3-4次，尽可能去除物理吸附的活性物质，干燥滤饼，得到改性石墨烯；
20.进一步地，稀盐酸溶液的质量分数为15％。
21.氧化石墨烯经过改性后，在表面引入了-nh-、苯环和-cooh，其中的-nh-和-cooh能够与水性环氧树脂发生固化反应，以化学反应的形式参与到环氧树脂的固化过程中，一方面，能够提高氧化石墨烯与成膜基质的作用力，固化后，能够防止石墨烯发生迁移，持续、稳定的发挥导热作用，且石墨烯上含有多个反应位点，能够促进与环氧树脂之间形成网络交联结构，提高石墨烯的导热、散热效果；另一方面，促进成膜基质形成交联三维网络结构，提高涂层的力学性能，且石墨烯上含有的苯环，刚性大，不仅对石墨烯起到锚固作用，而且刚性基团辅助提升涂层的力学性能。
22.本发明的有益效果：
23.本发明的涂料中，以改性石墨烯作为主体散热基质，金属导热粉体作为辅助散热基质，石墨烯经过改性后，表面接枝有功能基团，使得石墨烯基体能够与成膜物质发生化学作用，促进石墨烯在涂料中的均匀分散，使石墨烯稳定、持续发挥散热作用，并且石墨烯还能促进成膜聚合物交联网络的形成，提高涂层的力学性能；另外，在分散剂的作用下，颗粒状的导热粉体填充于石墨烯片层之间，有助于形成搭接的散热网络结构，进一步提高石墨烯对于涂料的导热、散热效果；本发明能够实现石墨烯的有效利用，在显著提升涂料散热性能的基础上，也使涂料的力学性能有所改善，获得一种综合性能强的散热型涂料，具有广泛
的应用范围。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例1
26.制备改性石墨烯：
27.s1、称取12g的4-氨甲基苯甲酸溶解于1l的稀盐酸溶液(质量分数为15％)中，形成质量浓度为12g/l的改性液；
28.s2、将3g氧化石墨烯超声分散于1l稀盐酸溶液(质量分数为15％)中形成悬浮液，再加入250ml改性液，升高温度至90℃，并在此温度下回流反应18h；
29.s3、反应结束后，趁热抽滤，在超声作用下，用稀盐酸溶液(质量分数为15％)将滤饼漂洗5min，过滤，再依次用稀盐酸溶液、乙醇重复洗涤3次，尽可能去除物理吸附的活性物质，干燥滤饼，得到改性石墨。
30.实施例2
31.制备改性石墨烯：
32.s1、称取12g的4-氨甲基苯甲酸溶解于1l的稀盐酸溶液(质量分数为15％)中，形成质量浓度为12g/l的改性液；
33.s2、将3g氧化石墨烯超声分散于1l稀盐酸溶液(质量分数为15％)中形成悬浮液，再加入250ml改性液，升高温度至90℃，并在此温度下回流反应20h；
34.s3、反应结束后，趁热抽滤，在超声作用下，用稀盐酸溶液(质量分数为15％)将滤饼漂洗5min，过滤，再依次用稀盐酸溶液、乙醇重复洗涤4次，尽可能去除物理吸附的活性物质，干燥滤饼，得到改性石墨。
35.实施例3
36.制备水性石墨烯散热涂料：
37.第一步、在反应罐中加入50g水性环氧树脂、15g水性聚氨酯和7g改性石墨烯和10g水，升高温度至60℃、超声分散30min；
38.第二步、降至室温后，加入2g分散剂、1.5g流平剂和0.6g导热粉体，在砂磨机中以1200r/min的转速分散1h，最后加入剩余的10g水，以1000r/min的转速进行再次研磨分散，当组分细度小于50μm时，用200目筛网过滤去除杂质后，获得水性石墨烯散热涂料。
39.导热粉体为银粉、铜粉、铝粉按照1:1:1的质量比混合而成，导热粉体的粒径小于1微米。
40.实施例4
41.制备水性石墨烯散热涂料：
42.第一步、在反应罐中加入55g水性环氧树脂、18g水性聚氨酯和8g改性石墨烯和13g水，升高温度至60℃、超声分散30min；
43.第二步、降至室温后，加入2.5g分散剂、1.8g流平剂和0.8g导热粉体，在砂磨机中
以1200r/min的转速分散1h，最后加入剩余的13g水，以1000r/min的转速进行再次研磨分散，当组分细度小于50μm时，用200目筛网过滤去除杂质后，获得水性石墨烯散热涂料。
44.导热粉体为银粉、铜粉按照1:2的质量比混合而成，导热粉体的粒径小于1微米。
45.实施例5
46.制备水性石墨烯散热涂料：
47.第一步、在反应罐中加入60g水性环氧树脂、20g水性聚氨酯和7-9g改性石墨烯和15g水，升高温度至60℃、超声分散30min；
48.第二步、降至室温后，加入3g分散剂、2g流平剂和1g导热粉体，在砂磨机中以1200r/min的转速分散1h，最后加入剩余的15g水，以1000r/min的转速进行再次研磨分散，当组分细度小于50μm时，用200目筛网过滤去除杂质后，获得水性石墨烯散热涂料。
49.导热粉体为铜粉、铝粉按照质量比2:1混合而成，导热粉体的粒径小于1微米。
50.对比例1
51.将实施例3中的改性石墨烯换成普通的氧化石墨烯，其余原料及制备过程不变。
52.对比例2
53.将实施例3中的导热粉体原料去掉，其余原料及制备过程不变。
54.对实施例3-5和对比例1-2获得的涂料，将涂料均匀涂覆在pet薄膜上，湿膜厚度控制为50μm，烘烤固化后从pet薄膜上完整揭下来，剪成长方形小片的样条；
55.散热性能：采用瞬态热线法测定常温涂层的导热系数；
56.力学性能：根据iso 2409-2007划格法测试涂层的附着力；根据gb/t 6739-2006测试涂层的硬度；根据gb/t 20624.1-2006测试涂层的耐冲击性；
57.测得的结果如下表所示：
[0058][0059]
由上表数据可知，实施例3-5制得的涂料的导热系数高于0.99w
·
m-1
·
k-1
，说明本发明制得的涂料具有良好的散热性能；实施例3-5制得的涂料的附着力均达到了1级、硬度为4h及以上、耐冲击达到了50cm
·
kg，说明本发明制得的涂层具有较高的力学性能；由对比例1的数据可知，石墨烯经过改性处理后，不仅能促进分散提高散热效果，而且能够一定程度提高涂层的力学性能；结合对比例2的数据可知，改性石墨烯与导热金属粉末具有相互协同和促进作用，共同提升涂料的散热性能。
[0060]
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0061]
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种水性石墨烯散热涂料，其特征在于，包括如下重量份原料：水性环氧树脂50-60份、水性聚氨酯15-20份、改性石墨烯7-9份、导热粉体0.6-1份、分散剂2-3份、流平剂1.5-2份、水20-30份；其中，改性石墨烯通过如下步骤制成：s1、称取一定量的4-氨甲基苯甲酸溶解于稀盐酸溶液中，形成质量浓度为12g/l的改性液；s2、将氧化石墨烯超声分散于稀盐酸溶液中形成悬浮液，再加入改性液，升高温度至90℃，并在此温度下回流反应18-20h；s3、反应结束后，趁热抽滤，在超声作用下，用稀盐酸溶液将滤饼漂洗5min，过滤，再依次用稀盐酸溶液、乙醇重复洗涤3-4次，干燥滤饼，得到改性石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种水性石墨烯散热涂料，其特征在于，步骤s2中氧化石墨烯、稀盐酸溶液和改性液的用量之比为0.3g:100ml:25ml。3.根据权利要求1所述的一种水性石墨烯散热涂料，其特征在于，稀盐酸溶液的质量分数为15％。4.根据权利要求1所述的一种水性石墨烯散热涂料，其特征在于，所述导热粉体为银粉、铜粉、铝粉中的一种或多种按任意比例的混合物，导热粉体的粒径小于1微米。5.根据权利要求1所述的一种水性石墨烯散热涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、在反应罐中加入水性环氧树脂、水性聚氨酯和改性石墨烯和一半量的水，升高温度至60℃、超声分散30min；第二步、降至室温后，加入分散剂、流平剂和导热粉体，在砂磨机中以1200r/min的转速分散1h，最后加入剩余的水，以1000r/min的转速进行再次研磨分散，过筛，获得水性石墨烯散热涂料。6.根据权利要求5所述的一种水性石墨烯散热涂料的制备方法，其特征在于，第二步中过筛操作具体为：当组分细度小于50μm时，用200目筛网过滤去除杂质。

技术总结

本发明公开了一种水性石墨烯散热涂料及其制备方法，属于水性涂料技术领域，该涂料包括如下重量份原料：水性环氧树脂50-60份、水性聚氨酯15-20份、改性石墨烯7-9份、导热粉体0.6-1份、分散剂2-3份、流平剂1.5-2份、水20-30份。本发明以改性石墨烯作为主体散热基质，金属导热粉体作为辅助散热基质，石墨烯经过改性后，表面接枝有功能基团，使得石墨烯基体能够与成膜物质发生化学作用，在涂料中均匀分散，并且石墨烯还能促进成膜聚合物交联网络的形成，提高涂层的力学性能；另外，在分散剂的作用下，颗粒状的导热粉体填充于石墨烯片层之间，有助于形成搭接的散热网络结构，进一步提高涂料的导热、散热效果。散热效果。