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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-10-12 15:59
引 言
在發(fā)熱體表面涂覆一層輻射散熱涂料，以此來增強發(fā)熱體表面與外界的熱交換能力，這種技術(shù)具有操作簡便、安全可靠、無噪音產(chǎn)生等優(yōu)勢，在家庭取暖、電子設(shè)備防護等方面有廣泛的應(yīng)用價值。Eyassu 把炭黑、納米金剛石粉體、碳納米管和石墨烯作為填料與丙烯酸乳液混合，表明高紅外發(fā)射率顏料在涂層將熱量散發(fā)到環(huán)境的過程中扮演了重要的角色。馬柯將碳納米球涂料涂覆在LED散熱器表面，發(fā)現(xiàn)它可以顯著增強散熱，提高 LED 的發(fā)光性能。張驍萌以碳納米管功能顏料、以環(huán)氧樹脂為涂料基體制備了可用于電氣設(shè)備的散熱涂料，可有效地降低電器設(shè)備的溫升，保障設(shè)備安全運行。白云松等在傳統(tǒng)片狀散熱器所用的防腐涂料中加入石墨烯并仿真計算比較了添加石墨烯前后散熱器的散熱量，結(jié)果表明，石墨烯的引入顯著增強了散熱器的散熱效果。
類似的報道還有很多，但是這些報道多集中在某一種功能顏料對涂層散熱性能的影響，缺乏不同顏料間的對比數(shù)據(jù)，且沒有考慮器件的運行溫度、工作方式、器件形貌的影響，以至于在做輻射散熱涂料的配方設(shè)計或者在選擇輻射散熱產(chǎn)品時沒有可靠的理論指導(dǎo)。本研究以甲基硅樹脂為成膜樹脂，分別以炭黑、碳納米管、石墨烯和銅鉻黑為功能顏料制備了一系列水性耐高溫輻射散熱涂料，詳細研究了顏料類型、添加量對涂層性能的影響。
1、實驗部分
1.1 實驗原料
炭黑：工業(yè)級，ORION 6 號；水性碳納米管漿、NCT-YS3E 水性石墨烯：20%固含，工業(yè)級，常州第六元素材料科技股份有限公司；銅鉻黑：工業(yè)級，山西定銳新材料有限公司，平均粒徑約 1.2 μm；水性甲基硅樹脂：自制；填料組成：硅微粉（1500 目），滑石粉（2000 目），兩者質(zhì)量比為 4∶1，均由江蘇群鑫粉體科技股份有限公司提供。
1.2 實驗儀器
色漿由 JSF-550W 變頻攪拌分散機（上海普舜機電）高速研磨制備，轉(zhuǎn)速控制在2 000 r/min，色漿研磨過程中加入色漿質(zhì)量1.5倍的3 mm鋯珠輔助分散；涂層紅外輻射率采用雙波段發(fā)射率測量儀（IR-2，上海誠波光電科技有限公司）進行測試，測試范圍2.5~16 μm。
1.3 制備過程
1.3.1 色漿的制備
按照表 1 所述比例，把原料依次加入罐中高速分散，用刮板細度計跟蹤顏料分散狀況直至色漿粒徑約20 μm。由于碳納米管和石墨烯對涂料黏度影響很大，碳納米管色漿和石墨烯色漿的制備均采用了先研磨分散填料，后加入顏料繼續(xù)分散的方式進行。各色漿的涂-4杯黏度如表2所示，石墨烯和碳納米管比表面積大，吸油量高，盡管實際加入質(zhì)量僅占色漿總質(zhì)量的 4.7%，石墨烯色漿和碳納米管色漿黏度均超過150 s，基本失去流動性；20%、40%銅鉻黑色漿黏度較為合適且有繼續(xù)提高顏料用量的空間。
1.3.2 涂料制備
按照質(zhì)量比 1∶1 分別把石墨烯色漿、碳納米管色漿、20%銅鉻黑色漿和40%銅鉻黑色漿與自制的水性甲基硅樹脂混合攪拌均勻，200目濾網(wǎng)過濾后噴涂使用。
1.3.3 基材處理，樣品制備
選用 304 不銹鋼水杯、不銹鋼板和 3 系鋁合金板作為基材，60 目棕剛玉噴砂處理后，用弱堿性除油脫脂劑進一步清除表面油污和灰塵，水洗吹干后使用。在處理好的基材表面噴涂輻射散熱涂料，50 ℃下預(yù)干燥 10 min 后，放入 200 ℃進一步固化，噴涂膜厚18~20 μm。為方便后續(xù)討論，涂料根據(jù)所含的顏料命名，即炭黑、石墨烯、碳納米管、20%銅鉻黑、40%銅鉻黑輻射散熱涂料。
2、 結(jié)果與討論
2.1 顏料對輻射散熱涂層熱穩(wěn)定性的影響
一般情況下，輻射散熱涂料工作溫度都相對較高，為此首先考察了不同涂層的熱穩(wěn)定性。從表 3 可以看出，炭黑涂層在 350 ℃馬弗爐中放置 9 h，涂層褪色嚴重，色差變化高達 20.4。實際上，在耐高溫的黑色顏料中，炭黑涂層只適合 250 ℃以下的長期耐熱。碳納米管涂層的耐熱性優(yōu)于炭黑，在 350 ℃條件下放置 80 h, 色差變化為 1.9。但是，它在 500 ℃條件下迅速褪色。因此，可以估計該碳納米管涂層僅適合于300 ℃以下的長期使用。
在研究的 3 種碳材料中，石墨烯涂層是耐熱能力最優(yōu)的，在 500 ℃條件下放置 2h, 色差變化僅有 1。據(jù)此推斷，該石墨烯涂層至少可以在 400 ℃條件下長時間保持穩(wěn)定。炭黑、碳納米管、NCT-YS3E 石墨烯三者耐高溫性能的差異可能與材料自身缺陷和雜質(zhì)含量有關(guān)。銅鉻黑輻射散熱涂層的耐高溫性能遠優(yōu)于碳材料涂層，它在 750 ℃條件下放置2 h，涂層色差沒有明顯變化。因此，對于長期工作溫度＞500 ℃的產(chǎn)品，以銅鉻黑為代表的傳統(tǒng)無機耐高溫黑色顏料仍是輻射散熱涂料配方設(shè)計的優(yōu)選功能顏料。
2.2 輻射散熱涂層的紅外發(fā)射性能
由于炭黑涂層的熱穩(wěn)定較差，作為耐高溫輻射散熱涂料使用有較大的風(fēng)險。因此，本實驗僅針對碳納米管、石墨烯和銅鉻黑涂層的紅外發(fā)射性能進行了詳細的研究，如圖1所示。圖1（a）為不同涂層的紅外發(fā)射率（ε），可以看出在2.5~8 μm范圍內(nèi)，20%銅鉻黑涂層的紅外發(fā)射率明顯低于其他3種涂層。結(jié)合普朗克公式和維恩位移公式，計算了 4 種涂層在 100 ℃[圖 1（b）]、200 ℃[圖 1（c）]、300 ℃[圖1（d）]的光譜輻射力（E λ ）隨波長的分布圖，進一步計算了石墨烯、碳納米管、銅鉻黑涂層在不同溫度下的最大發(fā)射波長和平均發(fā)射率。由圖1（b）~圖1（d）可以看出，涂層溫度越低，涂層最大發(fā)射波長偏離紅外發(fā)射率差異較大的波長范圍（2.5~8 μm）中心越遠，不同涂層光譜輻射力的差距越不顯著。
如表 4 所示，在100 ℃條件下，石墨烯涂層和20%銅鉻黑涂層的平均發(fā)射率基本相同。隨著涂層溫度的升高，20%銅鉻黑的紅外發(fā)射率相比其他涂層明顯低，意味著此時它通過熱輻射的形式把物體表面熱量散發(fā)出去的能力下降。在 150~300 ℃范圍內(nèi)，石墨烯涂層與 40%的銅鉻黑的平均紅外發(fā)射率大小相當(dāng)，均略低于碳納米管涂層。
2.3 輻射散熱涂層對物體散熱的影響
2.3.1 無內(nèi)置熱源的情況
無內(nèi)置熱源的物體散熱，典型的例子是高溫物體在空氣中的自然降溫過程。本實驗將304不銹鋼水杯表面涂覆不同的輻射散熱涂層，放置在塑料墊上后在杯中倒?jié)M開水，測量水溫隨時間的變化。此時，水杯的散熱主要涉及空氣的自然對流換熱以及水杯表面的熱輻射。如圖 2 所示，在 15 min 內(nèi)，表面不做處理的水杯，水溫從開始的97 ℃降低至84.9 ℃，而表面涂覆有石墨烯和 20%銅鉻黑輻射散熱涂層的水杯則從 97 ℃降低至 80.7 ℃，輻射散熱發(fā)揮了明顯的作用。對于這種無內(nèi)置熱源的物體散熱，物體表面的平均紅外發(fā)射率越高，在其他影響因素不變的情況下，物體溫度下降越快。
2.3.2 有穩(wěn)定熱源的散熱情況
輻射散熱涂層通過熱輻射、空氣對流、熱傳導(dǎo)把熱源供給的熱量散發(fā)出去，當(dāng)體系處于平衡狀態(tài)時，散發(fā)的熱量等于熱源供給的熱量。為研究不同輻射散熱涂層用于直接加熱的效率差異，搭建了實驗裝置：在電子萬用爐（功率 0.41 kW）上放置噴涂不同輻射散熱涂層的不銹鋼板，打開電爐，待不銹鋼板溫度穩(wěn)（此時板溫），在不銹鋼板上方5 cm 處，放置一盛水錐形瓶，實時監(jiān)測錐形瓶中水溫變化。如圖 3 所示，在 20%銅鉻黑涂層上面，水溫從 15 ℃升至 89 ℃；而在40%銅鉻黑涂層和石墨烯涂層上面，水溫分別溫至 95 ℃和 96 ℃。與空氣對流傳熱和熱傳導(dǎo)不同，輻射能無需空氣作為介質(zhì)，在熱源和被加熱物體之間按照光速進行直線傳播，具有方向性，具有較高紅外發(fā)射率的輻射散熱涂層可以更有效地把熱量傳遞給被加熱物體。仔細對比上述試驗中水溫的上升速度，可以發(fā)現(xiàn)，與各涂層的紅外發(fā)射率并不是簡單的正比關(guān)系。用熱偶電極測試了平衡狀態(tài)下的涂層溫度：20%銅鉻黑涂層279 ℃，石墨烯涂層為270 ℃，40%銅鉻黑涂層為 271 ℃。在有穩(wěn)定熱源供給能量的情況下，紅外發(fā)射率低的涂層通過自身溫度的提高來增加空氣對流和輻射散熱的能力以達到熱平衡，這也說明對于具有穩(wěn)定熱量供給的發(fā)射體，表面涂覆一層紅外發(fā)射率較高的涂層，可以起到降低其正常工作時表面溫度的作用。
對于熱源不直接面對加熱對象的情況，情況又有不同。如上所述，有穩(wěn)定能量供給的加熱體達到熱平衡時，散發(fā)出的熱量必然等同于供給的熱量。以常見的踢腳線取暖器為例，所消耗的電能就等同于取暖器通過各種方式與外界發(fā)生的熱交換能量以及取暖器自身溫度上升需要消耗的能量；在長時間連續(xù)使用的情況下，后者所占的比重是比較小的。采購了某品牌取暖器（功率 1 100W ），該取暖器采用鋁翅片電熱管作為熱源。在鋁翅片表面上分別噴涂 20%銅鉻黑輻射散熱涂料和石墨烯輻射散熱涂料，安裝好后監(jiān)測使用這兩種不同的鋁翅片電熱管取暖時室內(nèi)溫度上升的情況（室內(nèi)面積約50 m 2 ）。結(jié)果表明，4 h后室內(nèi)溫度均從10.2 ℃上升至14.8 ℃，室溫上升速度沒有明顯差異。
3、 結(jié)語
作為輻射散熱涂層中的功能顏料，對于需要耐高溫（450 ℃以上）的場合，銅鉻黑要優(yōu)于碳納米管和石墨烯，在中低溫區(qū)間（150~300 ℃），三者的發(fā)射率數(shù)據(jù)比較接近，都表現(xiàn)出較好的應(yīng)用能力。具體到輻射散熱涂料的配方設(shè)計，則需綜合考慮器件的工作溫度及工作方式。具有較高紅外發(fā)射率的涂層有利于物體降溫和熱源對目標(biāo)對象的直接加熱；對于不直接面對加熱對象的情況，考慮到輻射傳熱具有方向性的特點，提高熱源表面的紅外發(fā)射率對熱源與加熱對象間的熱量傳遞效果沒有明顯提升。
來源：涂層與防護
