碳纳米管结构对红外辐射散热涂料性能的影响

第５４卷第２期　２０１６年３月　上海涂料　

ＳＨＡＮＧＨＡＩ　Ｃ０ＡＴＩＮＧＳ　Ｖｏ１．５４Ｎｏ．２　

ＭａＦ．２０１６　

碳纳米管结构对　红外辐射散热涂料，陡能的影响　

张浩　，楼平　，刘丰文　，赵定义　，陈名海　（１．国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江湖州３１３０００；　２．武汉科迪奥电力科技有限公司，湖北武汉４３００００；　３．中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州２１５１２３）　

摘要：以水性聚氨酯为成膜物质，以碳纳米管为功能填料，制备了具有红外辐射增强散热功能　的碳纳米管复合涂料。比较了具有不同结构参数的碳纳米管对涂料散热性能的影响。结果表明：碳　纳米管能有效增强涂料的辐射散热性，且碳纳米管的晶格结构越完美，缺陷越少，涂料的红外辐射散　热性能越优良。　关键词：碳纳米管；辐射散热涂料；水性涂料　中图分类号：ＴＱ　６３０．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—１６９６（２０１６）０２—０００１—０５　

０引言　随着电子技术的高速发展和人们消费需求的日　益提高，电子产品正向着高功率、高集成、小型化的　方向发展，从而导致电子器件的工作温度越来越高，　如果散热能力不足，将会导致电子器件的工作温度　大幅上升，进而直接影响器件的性能、稳定性和使用　寿命。　热传递有传导、对流、辐射三种方式。目前电子　行业都是通过在电子元器件表面粘贴散热片和加装　风扇来散热，这种散热组件主要增强热的传导和对　流，但会明显增加电子产品的体积，不利于产品小型　化、精密化的设计…。与增强热传导和热对流相比，　提升散热组件的红外辐射率来增强器件的散热性能　成为一种非常有效的方式。特别是在小型电子器件、　航空航天等供散热组件安装空间比较狭小的应用领　域，通过传导和对流方式的散热效果非常有限，此时　红外辐射散热具有非常重要的应用价值［２　］。　增强辐射散热主要有对散热器件表面阳极氧化　处理ｌ５　］和涂布辐射散热涂料ｌ７　］这两种方法。表面　阳极氧化处理实施方法相对较为复杂，成本较高，且　具有一定的局限性；涂布辐射散热涂料则施工简便，　价格低廉，且不受器件材质的限制，此外还能起到保　护器件的作用，近年来受到广泛关注。辐射散热涂料　的关键即在于其中的辐射散热填料，目前这类填料主　要有纳米炭球　９、炭黑［１０］、碳化硅［¨］等。对辐射散　热涂料的相关研究表明：超细化、纳米化后的物质具　有微观的松散结构，可以有效降低物体的折射系数，　

【收稿日期】２０１６－．－０１—０８　［作者简介】张浩（１９７Ｏ一），男，硕士，高级工程师，从事电力系统技术研究。　通讯作者：陈名海（１９７８一），男，博士／研究员，从事纳米碳材料应用研究。　

探素栅究　＿　＿　

２　上海涂料　第５４卷　增大其辐射深度，从而有效提高物体的发射率ｌ】　，　同时，粉体填料的粒径越小，比表面积越大，其发射　率相对越高　Ｊ　。碳纳米管作为一种综合性能优异的　纳米材料，既具有超细的纳米级结构，又具有超大的　比表面积，其发射率很高，阵列化的碳纳米管的辐射　系数甚至可达到０．９９，因而是目前辐射率最高的材　料；同时，碳纳米管具有沿轴向非常高的热导率。因　而将碳纳米管作为填料配制而成的涂料同时具有高　的辐射率和导热系数。目前以碳纳米管辐射散热涂　料涂覆在铜、铝箔表面制成的散热金属箔，已经在平　板显示器及各种电子器件领域获得应用，显著提高　了散热性能。然而，对碳纳米管结构与其散热性能的　关系尚缺乏系统研究，仍有许多科学和技术问题有　待深入研究。　分别采用具有不同结构特征的几种碳纳米管作　为功能填料［１４　３，以水性聚氨酯作为成膜物质，制得　碳纳米管辐射散热涂料，研究了碳纳米管的结构特　征对涂料散热性的影响，并对涂层的热导率、表面电　阻和碳纳米管粉体的微观结构进行了测试。　１试验部分　１．１原材料　碳纳米管专用水性分散剂ＵＴ３５０１，江苏联科纳　米科技有限公司；流平剂、润湿剂、消泡剂等，德国　ＢＹＫ公司；曲拉通（ＴｒｉｔｏｎＲ　Ｘ一１００），上海国药化学　试剂有限公司；水性聚氨酯树脂ＡＤＭ　Ｚ７０９，山东奥　德美高分子材料有限公司；５种具有不同结构特征　的碳纳米管粉体，其来源以及基本参数如表１所示。　表１碳纳米管的基本参数及供应商　Ｔａｂｌｅ　１　ＴＩ１Ｐ　ｂａｓｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｓｕｐｐｌｉｅｒｓ　探索研夯　１．２试样制备　碳纳米管膜的制备方法如下：称取一定量的碳　纳米管粉体，加入少量ＴｒｉｔｏｎＲ　Ｘ一１００，以超声波细　胞粉碎机超声分散３０　ｍｉｎ后，采用真空抽滤方法在　纤维素微孔滤膜表面形成均匀碳膜，真空干燥后，采　用四探针电导率测试仪测定电导率。　碳纳米管辐射散热涂料的制备方法：按照比例　称取碳纳米管和ＵＴ３５０１，配制成碳纳米管含量３．０％、　固含量５．０％的混合水溶液，加入少量ＢＹＫ润湿剂，　浸泡１２　ｈ。随后在砂磨机中研磨３０—６０　ｍｉｎ，形成均　匀的碳纳米管分散液。将碳纳米管分散液与水性聚氨　酯树脂混合，配制成辐射散热涂料，其中碳纳米管在　成膜物质中的含量控制在１０％（质量分数）。　采用自动涂膜仪（合肥科晶材料技术有限公司，　ＭＳＫ—ＡＦＡ～ＩＩＩ）将制得的辐射散热涂料均匀涂布在铝　箔表面，刮涂厚度１５　ｐｍ，待涂膜表干后，放人１００℃　的烘箱中烘烤１０　ｍｉｎ，然后剪裁成３５　ｍｍ×３５　ｍｍ的　方块试样，用于碳纳米管涂料散热性能的评价测定。　１．３测定与表征　采用场发射扫描电子显微镜（ＦＥ—ＳＥＭ，Ｑｕａｎｔａ　４０　ＦＥＧ，ＦＥＩ）观察碳纳米管形貌；采用双波段发　射率测量仪（上海诚波光电科技有限公司，ＩＲ一２）　测定红外辐射率；采用拉曼光谱仪（ＬａｂＲＡＭ　ＨＲ　Ｒａｍａｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＨＯＲＩＢＡ　Ｊｏｂｉｎ　Ｙｖｏｎ）测定拉曼　光谱；采用四探针测试仪（苏州晶格电子有限公司，　ＳＴ２２５８Ａ）测定电导率和表面电阻。　热导率测定方法：将涂料涂布于聚对苯二甲酸　乙二醇酯（ＰＥＴ）薄膜上，膜厚控制在５０　ｇｍ左右，　于１００℃下烘烤ｉ０　ｒａｉｎ，待涂膜完全固化后，从ＰＥＴ　薄膜上完整揭下，按照激光热导仪（德国耐驰，ＬＦＡ　４４７）的托盘大小裁剪成圆片状，表面喷石墨后进行　测定，得到热扩散率ａ；再用差示扫描量热仪（ＤＳＣ　２００　Ｆ３）测定涂膜完全固化后的比热容Ｃ；用密度检　测仪（北京仪特诺电子科技有限公司，ＤＨ一３００）测定　固体密度ｐ。由公式　＝　×Ｐ×ｃ计算出涂膜固化后的　热导率　。　本研究自行搭建一套散热性评价装置，通过对　比对照样和空白样的实际温度来评价散热效果，自　４　上海涂料　第５４卷　由表面电阻的测定数值可以发现：这５种碳纳米管　配制的涂料固化后涂层表面电阻由１　０００　Ｑ，口至　２　３００　Ｑ／口不等，都具有良好的导电性。其中石墨化　后的Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管的导电性比未处理的ＴＩＮＭ８　碳纳米管的导电性有明显的增强。由热导率数值可看　出：以ＮＣ　７０００、ＦＴ　９０００、ＴＩＮＭ６、ＴＩＮＭ８为填料的涂　层热导率分别是１．６７　Ｗ・ｍ　・Ｋ～、１．４５　Ｗ・Ｉｎ一・Ｋ～、　１．１５　Ｗ・Ｉｎ　・Ｋ　和１．０２　Ｗ・ｉｎ　・Ｋ～，其随碳纳米管管　径增大而下降，而石墨化的Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管的涂　层热导率最高，达到２．８０　Ｗ・ｎｌ　・Ｋ～。　表２不同碳纳米管制备的散热涂层的基本物理性能　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　经测定发现：随着碳纳米管管径的增大，涂层　的电导率和热导率均下降，这町能是由于在填充量　相同（１０％）的情况下，随着碳纳米管管径增大，涂　层中碳纳米管的体积填充率下降，导致其形成的导　电和导热网络密度下降。然而以Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管　为填料的涂层，其红外辐射率、方块电阻和热导率的　测定结果均优于以另外四种碳纳米管为填料的涂层。　这是由于石墨化后的Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管具备优于其　他四种碳纳米管的极低晶格缺陷、更加完美的结构　和更少的杂质的特征，这极大地弥补了粗管径对涂　层性能的不利影响，其自身结构因素带来的优势占　主导作用，使得涂层的红外辐射率、方块电阻和热导　率得到了明显提升。　红外辐射率越高越有利于散热，同时涂层有较　高热导率才能保证红外辐射散热的效果，从以上数　据可以发现，石墨化后的Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管具有很　高的红外辐射率和热导率，这将增强涂料的红外辐　射散热效果。　２．３碳纳米管复合涂料的散热性能　为评价不同碳纳米管复合涂料的散热效果，通　过自行搭建的散热模拟实验装置（图１）进行升温加　热测试，结果见图３。　

１一空白；２一ＴＩＮＭ８；３一ＴＩＮＭ６；４一ＦＴ　９０００　５一ＮＣ　７０００：６～Ｇ—ＴＩＮＭ８　ａ一井温曲线图　

曩１　第２期　张浩，等：碳纳米管结构对红外辐射散热涂料性能的影响　５　后的Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管具有的完美晶格结构，能有　效弥补粗管径碳纳米管低比表面积和难以形成有效　导热网络的不利影响，大大提高涂料的散热性能。　

３结语　本研究以碳纳米管为功能填料，以水性聚氨酯　树脂为成膜物质，制得依靠红外辐射散热的碳纳米　管散热涂料；通过将具有不同结构参数的碳纳米管　粉体引入碳纳米管涂料，并比较涂料的散热性能，表　明相对于碳纳米管管径，碳纳米管管壁结晶化程度　是对涂料散热性能更为重要的影响因素。石墨化后　得到的Ｇ—ＴＩＮＭ８碳纳米管的完美晶格结构，是其作　为填料配制的红外辐射散热涂料具有良好散热效果　的主要因素，即碳纳米管的石墨化程度越高，结构缺　陷越少，由其配制的红外辐射散热涂料的散热效果　越好，性能越好。　

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