一种高导热涂料、制备方法及应用与流程

1.本发明涉及导热涂料技术领域，更具体而言，涉及一种高导热涂料、制备方法及应用。

背景技术：

2.燃煤火电厂的尾气脱硫脱硝以及余热的再利用是节能减排的重要领域。燃煤火电厂的锅炉烟风换热器是提高锅炉余热利用率的重要设备，但目前以搪瓷换热器为主的锅炉烟风换热装置存在换热效率低、搪瓷层容易破损、脱落的问题，从而导致烟道快速腐蚀、使用寿命短。中国专利cn 108516685a公布了一种耐热腐蚀搪瓷涂层及其制备方法，尽管该专利通过改良搪瓷涂层的配方以及制备工艺改善了涂层与金属基底之间附着能力，但其制备工艺较为复杂且搪瓷涂层导热能力极差。

技术实现要素：

3.针对现阶段技术中存在的问题，本发明提出一种高导热涂料、制备方法及应用，解决以搪瓷换热器为主的锅炉烟风换热装置存在的换热效率低、搪瓷层容易破损、脱落，导致烟道快速腐蚀等问题，通过高导热涂料，使得锅炉烟风换热元件在具有优秀的耐腐蚀能力、自清洁能力以及高强的耐冲蚀能力同时，又具有卓越的导热能力。
4.第一方面，本发明提供了一种高导热涂料，由以下重量百分比原料组成：
5.30-70wt％成膜物、3-5wt％石墨烯、5-25wt％改性高导热粉体、10-20wt％高导热晶须、5-10wt％有机溶剂、1-3wt％分散剂以及4-7wt％固化剂。
6.作为进一步优化的技术方案，所述成膜物为带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂。其具有高附着力、高耐腐蚀性等特点。
7.作为进一步优化的技术方案，所述分散剂为烷羟基铵盐。其能使改性高导热粉体颗粒分散、涂料体系更加稳定。
8.作为进一步优化的技术方案，所述固化剂为改性芳香胺。其能与树脂交联，使树脂固化达到理想的状态。
9.作为进一步优化的技术方案，所述改性高导热粉体为改性氧化铝、改性氮化硅、改性碳化硅中的一种或多种；所述改性高导热粉体粒径为100nm-5μm。改性高导热粉体具有导热能力好，导热系数高等优点；且超细的高导热粉体经表面改性后，改善了颗粒的分散性，防止了颗粒团聚。
10.作为进一步优化的技术方案，所述高导热晶须为氧化铝晶须、氮化硅晶须、碳化硅晶须中的一种或多种；所述高导热晶须的直径为0.5-2μm，长径比大于10。
11.作为进一步优化的技术方案，所述有机溶剂为乙酸丁酯、无水乙醇、有机硅树脂稀释剂中的一种或多种。
12.第二方面，本发明提供了制备上述高导热涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
13.s1、将偶联剂加入草酸溶液中，搅拌均匀，制得水解液，用于高导热粉体的改性；
14.s2、将高导热粉体加入乙醇溶液中，搅拌均匀，超声分散制得悬浊液；
15.s3、将悬浊液加热至30-70℃，添加水解液，搅拌加热反应；
16.s4、将步骤s3反应液过滤，将过滤后粉体冲洗、干燥、过筛得到改性高导热粉体，完成改性；
17.s5、将石墨烯、改性高导热粉体、高导热晶须、成膜剂、有机溶剂与分散剂、固化剂混合，将混合物分散后制得抗高温高导热涂料。
18.作为进一步优化的技术方案，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种或多种。
19.作为进一步优化的技术方案，所述成膜物为带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂。所述分散剂为烷羟基铵盐。所述固化剂为改性芳香胺。所述改性高导热粉体为改性氧化铝、改性氮化硅、改性碳化硅中的一种或多种。所述高导热晶须为氧化铝晶须、氮化硅晶须、碳化硅晶须中的一种或多种。所述有机溶剂为乙酸丁酯、无水乙醇、有机硅树脂稀释剂中的一种或多种。
20.作为进一步优化的技术方案，步骤s1中搅拌时间为0.5-3h。
21.作为进一步优化的技术方案，步骤s1中偶联剂与草酸制得的水解液ph值在3-5之间。
22.作为进一步优化的技术方案，步骤s2中高导热粉体与乙醇溶液比例为1：20。
23.作为进一步优化的技术方案，步骤s5中成膜物、石墨烯、高导热粉体、高导热晶须、有机溶剂、分散剂以及固化剂质量比为30-70：3-5：5-25：10-20：5-10：1-3：4-7。
24.作为进一步优化的技术方案，步骤s2中超声分散的时间为20-60min。
25.作为进一步优化的技术方案，步骤s3中搅拌加热反应的时间为20-60min。
26.作为进一步优化的技术方案，步骤s5中混合物分散采用高速分散机；分散速度为200-1500rpm，时间为60-90min。
27.第三方面，本发明提供了上述高导热涂料的应用，将高导热涂料用压力喷涂工艺喷涂于待涂元件表面，将喷涂有高导热涂料的元件置于150-300℃温度下保温30-60min，固化后得到高导热涂层。
28.作为进一步优化的技术方案，所述高导热涂层的厚度为10-30μm。
29.作为进一步优化的技术方案，所述喷涂工艺具体为，控制喷的喷涂压力0.15-0.30mpa，喷头距元件的距离约为100-200mm，从左至右均匀扫过，直至满足涂层厚度要求。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
31.本发明提供的一种高导热涂料，使用耐温性较好的带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂为基础材料，通过与石墨烯、改性高导热粉体、高导热晶须混合，石墨烯、改性高导热粉体与高导热晶须相互搭接形成导热网络，导热机理如图1所示，使涂层导热性能进一步提高；高导热粉体通过改性，防止粉体团聚，同时与基体树脂产生交联反应，改性前后粉体的扫描电镜对比图片如图2所示，与未改性的纳米粉体相比，改性后的粉体呈分散状态，无明显团聚，因为经过改性之后的纳米氧化铝粉体由于改性剂与其表面的羟基发生化学反应，会在氧化铝表面形成较大的空间位阻，从而有效地阻止颗粒间的团聚；改性后的高导热粉体使偶联剂成功枝接到其表面，减少了粉体表面的羟基，如图3所示，图中，改性后的氧化铝
粉体出现的特征吸收峰，进一步说明了钛酸酯偶联剂成功枝接到纳米氧化铝表面，并能与环氧改性有机硅树脂有机结合，因此涂层强度、硬度显著增高，进一步提高了涂层的耐粉尘冲蚀性能，用于含烟尘的工业尾气的热交换时，既提高换热涂层的导热性从而提高换热效率，又具有耐高温、耐冲蚀、易清洁的优点，实现工业尾气热交换器换热元件的提效增寿目标。本发明中高导热涂层材料以先进陶瓷、石墨烯等高导热材料为基础制备高导热、耐冲蚀的有机涂层材料，结合新型涂层材料的制备工艺，使得锅炉烟风换热元件涂层在具有卓越的导热能力的同时，涂层表面更光滑均质，且具有优秀的耐腐蚀能力、自清洁能力以及高强的耐冲蚀能力。
附图说明
32.图1为高导热晶须与粉体桥接的导热机理图；
33.图2为改性前后粉体的扫描电镜对比图；图中，(a)为未改性氧化铝扫描电镜图；(b)为改性氧化铝扫描电镜图；
34.图3为改性氧化铝的傅里叶红外光谱图；
35.图4为实施例2中涂层280℃耐冲蚀测试前后的照片；
36.图5为实施例2中涂层的扫描电镜图；
37.图6为实施例2中涂层的原子力显微镜图像；图中，(a)为平面图；(b)为三维立体图。
具体实施方式
38.下面将结合本技术实施例，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.需要说明的是：本技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本技术中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。本技术中，如果没有特别的说明，百分数(％)或者份指的是相对于组合物的重量百分数或重量份。本技术中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。本技术中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“6-22”表示本文中已经全部列出了“6-22”之间的全部实数，“6-22”只是这些数值组合的缩略表示。本技术所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。本技术中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。
40.除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本技术中。
41.下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。
42.以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值
或平均值
±
标准差。
43.取适量草酸溶液于烧杯中，加入一定量的偶联剂，制得ph值在3-5的水解液，搅拌后水解0.5-3h，再称取5-25wt％高导热粉体并配置一定比例的去离子水和无水乙醇混合溶液，将高导热粉体添加到混合溶液中并用玻璃棒搅拌均匀，然后在超声波材料分散器中超声分散20-60min，制成悬浊液；将制备好的悬浊液放入电热恒温水浴锅中，用搅拌器缓慢搅拌的同时进行加热，当温度达到30-70℃之后，再将水解后的偶联剂加入悬浊液中，继续搅拌加热20-60min后，将粉体过滤、冲洗、干燥、过筛后即可得到改性高导热粉体。
44.其中，高导热粉体与乙醇溶液比例为1：20。
45.在本技术的一些实施例中，高导热粉体为氧化铝、氮化硅、碳化硅中的一种或多种。
46.实施例1
47.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂30份、石墨烯5份、改性氧化铝25份、氧化铝晶须20份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以1000rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将所得涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以280℃保温60min，得到高导热涂层。
48.实施例2
49.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂50份、石墨烯5份、改性氧化铝15份、氧化铝晶须10份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以600rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，湿膜重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以250℃保温30min，得到高导热涂层。
50.本实施例制备的高导热涂层经耐冲蚀测试后，表面并未出现明显缺陷，且无质量损失，涂层耐冲蚀测试前后如图4所示。所得的高导热涂层扫面电镜图如图5所示，所得的涂层平整无裂纹，且导热颗粒分散均匀，无团聚现象出现。所得的高导热涂层原子力显微镜图像如图6所示，所得的涂层光滑平整，无明显突起，防止了灰尘颗粒的堆积。
51.实施例3
52.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂70份、石墨烯3份、改性氧化铝8份、氧化铝晶须10份、有机溶剂5份、分散剂1份以及固化剂3份混合，将混合物放在高速分散机中以200rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，湿膜重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以220℃保温40min，得到高导热涂层。
53.实施例4
54.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂30份、石墨烯5份、改性碳化硅25份、碳化硅晶须20份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以1000rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料
加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以280℃保温60min，得到高导热涂层。
55.实施例5
56.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂50份、石墨烯5份、改性碳化硅15份、碳化硅晶须10份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以200rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以250℃保温50min，得到高导热涂层。
57.实施例6
58.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂70份、石墨烯5份、改性碳化硅5份、碳化硅晶须10份、有机溶剂5份、分散剂2份以及固化剂3份混合，将混合物放在高速分散机中以200rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以220℃保温40min，得到高导热涂层。
59.实施例7
60.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂30份、石墨烯5份、改性氧化铝与改性碳化硅等比混合25份、氧化铝晶须与碳化硅晶须等比混合20份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以1000rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以280℃保温60min，得到高导热涂层。
61.实施例8
62.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂50份、石墨烯5份、改性氧化铝与改性碳化硅等比混合15份、氧化铝晶须与碳化硅晶须等比混合10份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以600rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以250℃保温50min，得到高导热涂层。
63.实施例9
64.按照涂层材料为100份计算，将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂70份、石墨烯5份、改性氧化铝与改性碳化硅等比混合5份、氧化铝晶须与碳化硅晶须等比混合10份、有机溶剂5份、分散剂2份以及固化剂3份混合，将混合物放在高速分散机中以200rpm的速度分散90min，得到分散均匀的高导热涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度10-30μm，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以220℃保温40min，得到高导热涂层。
65.在上述实施例的基础上，所述改性高导热粉体粒径为100nm-5μm。
66.在上述实施例的基础上，所述高导热晶须的直径为0.5-2μm，长径比大于10。
67.在上述实施例的基础上，所述分散剂为烷羟基铵盐。所述固化剂为改性芳香胺。所述有机溶剂为乙酸丁酯、无水乙醇、有机硅树脂稀释剂中的一种或多种。
68.对比例1
69.未添加高导热粉体与晶须涂层的效果试验
70.将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂50份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以200rpm的速度分散90min，得到分散均匀的涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以210℃保温30min，得到对比涂层1。
71.对比例2
72.未添加高导热晶须涂层的效果试验
73.将带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂50份、石墨烯5份、改性氧化铝15份、有机溶剂10份、分散剂3份以及固化剂7份混合，将混合物放在高速分散机中以600rpm的速度分散90min，得到分散均匀的涂料。将涂料加入喷中，控制喷的喷涂压力0.20mpa，喷头距元件的距离约为200mm，从左至右均匀扫过，重复几次后达到涂层所要求厚度，将其流平静置。再将该元件放入退火炉以220℃保温40min，得到对比涂层2。
74.为了验证本发明所制备高导热涂层的性能，对所制备出的涂层进行高温冲蚀测试以及导热系数的检测，其中高温冲蚀测试采用40-70目石英砂为冲刷颗粒，石英砂含量为20g，冲刷压力为0.2-0.3mpa，冲刷角度为45
°
，冲刷时间为10h，分别在温度为260℃或280℃的热风下测试，然后检测其剩余的质量百分数；利用稳态热流法来进行导热系数的检测。实施例1～9与对比例1～2的涂层性能测试结果如表1所示。
75.表1各实施例所获得的涂层测试结果对比
76.[0077][0078]
从表1可以看出：通过在环氧改性有机硅树脂中同时加入石墨烯、改性高导热粉体、高导热晶须，使得涂层具有导热性强、耐热性好、耐粉尘冲蚀等优势，能够极大提高热交换器换热元件的换热效率，并且延长换热元件的使用寿命增长。
[0079]
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替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种高导热涂料，其特征在于，由以下重量百分比原料组成：30-70wt％成膜物、3-5wt％石墨烯、5-25wt％改性高导热粉体、10-20wt％高导热晶须、5-10wt％有机溶剂、1-3wt％分散剂以及3-7wt％固化剂。2.根据权利要求1所述的一种高导热涂料，其特征在于，所述成膜物为带甲基、苯基的环氧改性有机硅树脂。3.根据权利要求1所述的一种高导热涂料，其特征在于，所述改性高导热粉体为改性氧化铝、改性氮化硅、改性碳化硅中的一种或多种；所述改性高导热粉体粒径为100nm-5μm。4.根据权利要求1所述的一种高导热涂料，其特征在于，所述高导热晶须为氧化铝晶须、氮化硅晶须、碳化硅晶须中的一种或多种；所述高导热晶须的直径为0.5-2μm，长径比大于10。5.一种高导热涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将偶联剂加入草酸溶液中，搅拌均匀，制得水解液；s2、将高导热粉体加入乙醇溶液中，搅拌均匀，超声分散制得悬浊液；s3、将悬浊液加热至30-70℃，添加水解液，搅拌加热反应；s4、将步骤s3反应液过滤，将过滤后粉体冲洗、干燥、过筛得到改性高导热粉体；s5、将成膜物、石墨烯、改性高导热粉体、高导热晶须、有机溶剂与分散剂、固化剂混合，将混合物分散后制得抗高温高导热涂料。6.根据权利要求5所述的一种高导热涂料的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种或多种。7.根据权利要求5所述的一种高导热涂料的制备方法，其特征在于，步骤s5中混合物分散采用高速分散机；分散速度为200-1500rpm，时间为60-90min。8.一种高导热涂料的应用，其特征在于，将权利要求1-4任一项所述的高导热涂料用压力喷涂工艺喷涂于待涂元件表面，将喷涂有高导热涂料的元件置于150-300℃温度下保温30-60min，固化后得到高导热涂层。9.根据权利要求8所述的一种高导热涂料的应用，其特征在于，所述高导热涂层的厚度为10-30μm。10.根据权利要求8所述的一种高导热涂料的应用，其特征在于，所述喷涂工艺具体为，控制喷的喷涂压力0.15-0.30mpa，喷头距元件的距离约为100-200mm，从左至右均匀扫过，直至满足涂层厚度要求。

技术总结

本发明涉及导热涂料技术领域，更具体而言，涉及一种高导热涂料、制备方法及应用，由成膜物、石墨烯、高导热粉体、高导热晶须、有机溶剂、分散剂以及固化剂组成。通过将石墨烯、改性高导热粉体、高导热晶须、有机硅树脂、有机溶剂与分散剂、固化剂混合，将混合物分散后制得抗高温高导热涂料。将高导热涂料用压力喷涂工艺喷涂于待涂元件表面，将喷涂有高导热涂料的元件置于150-300℃温度下保温30-60min，固化后得到高导热涂层。得到高导热涂层。得到高导热涂层。