石墨烯碳纳米管散热涂料技术.doc

石墨烯碳纳米管散热涂料技术

（1）项目背景
碳材料是目前人类认知的材料中功能最全、性能最优越、形式最多样的材料，是目前所有已知划时代材料所有不能比拟的，继硅时代之后21世纪甚至有望成为碳材料时代。尤其是纳米碳材料丰富的形态，涵盖从零维、一维到二维结构，每一次纳米碳材料的出现都引领了纳米科技的快速发展。其中，碳纳米管可看成是一种石墨片卷曲结构，超强的C-C键使碳纳米管具有超强的力学性能和热传导性能，理论计算和实际测量表明，单壁碳纳米管拉伸强度可达150 GPa，弹性模量1TPa，是钢铁的100倍，密度却只有其1/6，被誉为终极碳纤维。同时单壁碳纳米管室温导热系数高达6000W/m.K，多壁碳纳米管的室温导热系数也达3000W/m.K，是热导率最高的材料。同时，碳纳米管比表面积大，被誉为世界上最黑的物质，这种物质对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的1.0。另外还具有优异的导电性能和超高的载流子输送密度，导电率接近金属，载流能力超过金属铜。众多优异综合性能使碳纳米管自发现以来受到极大关注，是纳米材料和纳米技术的最典型代表，是散热涂料和复合材料最理想的功能填料。
碳纳米管在功能涂料领域主要发挥以下主要作用：
（1） 导电填料：碳纳米管的导电阈值低至0.1wt%，而传统炭黑却高达15wt%以上，碳纳米管可以在极少量添加的情况下即达到目前炭黑型导电涂料的性能，避免大量无机炭黑添加对涂料工艺性的负面影响。因此，碳纳米管在抗静电涂料、电磁屏蔽涂料、重防腐涂料等领域具有显著优势。同时还能利用其电致发热的作用，开发新型的节能加温、保温涂料，在家居地暖加温、仪器设备保温等新型市场具有极大的商业前景。
（2） 散热填料：碳纳米管不仅具有超高的热导率，同时还具有接近理论黑体的辐射率，以此加强其红外辐射散热功能，因此新型散热涂料将有望改变目前散热模式，大大提高热交换能力。
（3） 力学增强填料：充分发挥碳纳米管一维结构的优势，在涂层内部形成增强网络，将使涂料力学性能大大提高，尤其是耐磨性、硬度等，甚至可形成部分自我修饰涂层。
实际上，碳纳米管功能涂料往往同时具有上述性能优点，其多功能性是目前任何涂料产品所不能比拟的，将有望极大改变人们对传统产品的认识和使用习惯。基于此，本项目将在前期研究工作的基础上，开展碳纳米管散热涂料、电热涂料和防腐涂料产业化建设，推出系列化碳纳米管功能涂料产品，开发新型应用市场，创造规模化效益。

（2）项目建设的必要性
随着国民经济的快速发展，对高性能散热技术的需求与日俱增。热量交换的方式主要有三种：传导、对流和辐射。解决好散热的问题，要从两个方面入手，一是热源--系统中不断产生热量并向周围传递热量物体，热源的产生的热量要散热交换走，目前国内外所采用的散热材料基本上都是靠增加材料的导热系数加强热量传导，依赖周围的介质对流来散热交换热量，这样的弊端是热量交换的区域很小，如果是相对封闭的空间，对流不是很好，热量交换效果就非常差。二是加快通风散热交换热量，这样在大部分的空间上是不现实，通风就会产生噪音、舒服度上大打折购。如果现在不改变其他情况下，提高热源的热交换量，通过热红外辐射散热是最有效的解决途径。辐射散热可以不受热源周围介质影响，只要热源温度超过零度，热源就要往外辐射热量。但是单纯靠热源本身的热量辐射量来说是非常小的，不能很好解决热源散热交换热量，增加热源红外线辐射量能很好地解决热源热交换的难题。基于此，红外辐射散热涂料显示出极大的市场价值，极大推动资源节约型社会建设，具有重大经济和社会意义。
首先，红外辐射散热涂料可以满足狭小空间无法使用强制对流散热的领域，如果电子设备、热交换器、散热器，大大提高热交换效率，改善电子器件、电机和热机等关键设备运行环境。以LED为例，目前LED转换效率约20%电转光和80%电转热，电转光的转换效率还有很大提升空间，这有赖于器件的高效散热技术。如果LED单元提升为更高亮度，将可大大减少设备中LED单元数量，降低能耗，降低成本，且散热效果更佳，形成良性循环，对于节能减排政策具有重大贡献。
第二，在传统散热器往往是刺片结构的铝或铜，自重大，加工成本高。虽然铜和铝本身的热导率很高，但是其热辐射率却很低。抛光铜和铝的辐射率只有0.05，即使通过阳极氧化处理之后也不高于0.6，红外辐射散热效率很低。且阳极氧化处理工艺涉及重大环境污染，已被列入限制发展行业，寻求替代技术显得越来越迫切。采用红外辐射涂料能够使热交换器辐射率提高至0.9以上，大大提高热交换效率。基于此，可进一步降低散热器材料使用量，简化散热器结构，减低能耗，节约成本。项目组前期研究已经发现，使用散热涂料之后可使家电空调铝散热器温度降低10度，同等铝材用量下降25%，具有重大市场价值。此外还可延伸至机电设备热交换器、暖通设备、热机设备中，具有广阔的市场前景。
第三，新型纳米散热涂料同时也是一种优异的电热涂料，且结合了优异的红外辐射特性，具有发热率高，节能环保的显著优势。且不受任何外形尺寸限制，施工方便，是目前传统电阻加热模式所无法比拟的。以目前取暖设施为例，不管采用金属电阻丝或者碳纤维发热体，均需要复杂布线，且一旦损坏几乎无法修复。电热涂料的使用几乎不受任何空间影响，可大面积涂布，即使部分区域受损，整体性能依然不受影响，其成本也仅有电阻加热体的1/3。更重要的是，具有红外辐射功能特性的电热涂料发热效率将大大高于电阻加热，且人体舒适感更显著。电热涂料的使用将大大降低能耗（降低25%能耗），提高能源利用率，降低成本。随着人们生活水平提高，我国南方冬季家庭采暖设施将逐渐普及，由于没有集中供暖的公共设施，为电热涂料的普及使用敞开了巨大市场空间。目前电热取暖涂料加工的地暖技术已经韩国、日本已逐渐普及，我国在未来几年中也将迎来快速发展的局面，抓住市场机遇具有重要紧迫性。同时，电热涂料在寒冷地带保温取暖也具有要中应用价值，如野外电力设备、通讯基站等，采用低能耗的发热技术将有利于设备的长期运行。
由此可见，红外辐射、电热涂料诱人的市场商机已经现象，其规模化应用将极大改变人们的生活方式，是节能减排，建设资源节约型、环境友好型社会的重要支撑材料，对工业技术变革和民生工程建设具有重大促进作用。

纳米散热涂料系列产品
本产品利用碳纳米管超高的导热率和红外辐射系数的特性性质，基于中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所多年研究和实践积累，成功开发了新型红外辐射散热涂料，具有热导率高、红外辐射率高的特点，并可根据客户要求开发及调整涂料性能，可广泛应用于各种散热领域。

型 号
CN-PA
CN-PU
CN-EP
CN-SI
树脂体系
水性丙烯酸树脂
水性聚氨酯树脂
水性环氧树脂
水性有机硅树脂
外 观
黑色
黑色
黑色
黑色
热导率（W/mK）
1.8-3.0
1.8-3.0
1.8-3.0
1.8-3.0
辐射率
0.95-0.98
0.95-0.98
0.95-0.98
0.95-0.98
硬 度
1H-3H
HB-2H
1H-3H
HB-2H
附着力等级
0-2
0-2
0-2
0-2
耐温（℃）
150-200
150-200
200-250
200-250
涂层抗冲击性（1kg、100cm）
通过
通过
通过
通过
成膜工艺
喷涂、滚涂、丝网印刷
适用领域
热交换器、导热金属（铜、铝）箔、LED外壳防腐散热领域等

聚氨酯分散液（CN-PU系列）
碳纳米管含量：2.5-4%
固含量：20-25%
粘度（涂-4）：21-25 s
碳纳米管直径：20-30nm
碳纳米管长度：5-10 um；
纯度：>98%
其他成分：消泡剂、分散剂、增稠剂、流平剂等
成膜工艺：滚涂、喷涂、丝印等。

实验方法：
实验装置如下图所示，以5W的陶瓷电热板为热源，将热电偶直接焊接在铝基底上测试温度，通过升温曲线测试研究红外辐射散热膜的散热特性。
+
—
陶瓷电热板
铝基底
涂覆有散热涂料的铝箔
测温点

将涂了涂料的样品与没涂涂料的样品串联进行升温对比，在恒流模式下测试，做出温度-时间曲线，测试之后对换电极重新测试以评价其稳定性：

对比试验发现，将涂覆有散热涂料的铝箔直接贴在铝底座上能够显著降级温度10度左右，能够发挥非常显著的散热功效。采用此方式模拟散热环境，能够快速对比各种散热涂料的散热特性。

专利技术：
[1] 纳米碳包裹BN复合粉体及其制备方法，201410033266.6
[2] 水性散热涂料及其制备方法，201410033105.7
[3] 一种石墨烯改性的耐磨水性玻璃涂料及其制备方法与应用，201210590723.2