一種具有紅外輻射散熱功能的復(fù)合膜及其制備方法和用途與流程

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本發(fā)明屬于散熱技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合膜及其制備方法和用途，尤其涉及一種具有紅外輻射散熱功能的復(fù)合膜及其制備方法和用途。

背景技術(shù)：

電子元器件和組件的散熱一般是通過三種渠道：空氣對流；熱傳導(dǎo)；熱(紅外)輻射。在特種條件下的散熱，如宇航業(yè)中的電子器件的散熱就只能靠熱傳導(dǎo)和熱輻射。目前散熱技術(shù)大都仍然采用傳統(tǒng)的散熱器結(jié)構(gòu)，比方說在超大規(guī)模集成電路塊上加上大面積散熱器和風(fēng)扇等等。但是，其散熱性能還有待進(jìn)一步提高。

cn1338482a公開了一種用于高分子聚合物的紅外線阻隔劑，所述紅外線阻隔劑由粒徑為10-100nm的納米級和/或粒徑為100nm-15μm的亞微米級氧化物或碳化物等微粒子所混合組成制備成粉狀和粒狀兩種形態(tài)的紅外線阻隔劑。其可廣泛作為：pvc糊樹脂涂層材料、油漆、乳膠漆類涂料、聚烯烴薄膜類產(chǎn)品、合成纖維類產(chǎn)品作為阻隔紅外線輻射的功能性添加劑。但是，所述紅外線阻隔劑僅能阻隔紅外線，將其應(yīng)用到散熱組件中，可見光還會使散熱組件發(fā)熱，影響散熱效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有紅外輻射散熱功能的復(fù)合膜及其制備方法和用途，所述具有紅外輻射散熱功能的復(fù)合膜散熱快并且散熱性能好，可用作散熱元件。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種復(fù)合膜，包括透明薄膜，所述透明薄膜中分散有粒徑為10nm-10μm且粒徑準(zhǔn)均勻分布的透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子，所述透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子的體積為透明薄膜體積的2％-10％，如3％、3.5％、4％、5％、6％、6.5％、7％、8％或9％等，所述透明薄膜的一側(cè)設(shè)置有金屬層。

所述粒徑為10nm-10μm且粒徑準(zhǔn)均勻分布的透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子是指所述透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子的粒徑在10nm-10μm的范圍內(nèi)有近似均勻的分布，所述近似均勻的分布是指各個粒徑的粒子的數(shù)目相差量在5％以內(nèi)，如0.2％、0.5％、0.8％、1.0％、1.5％、2.0％、3.0％、4.0％或4.5％等，即以粒徑為橫坐標(biāo)，以粒子數(shù)目為縱坐標(biāo)的粒徑-粒子數(shù)目圖近似為水平直線。

所述紅外波段以上的光線是指其波長在870nm以上的光波(線)。

本發(fā)明提供的復(fù)合膜中所述金屬層能夠反射可見光，反射率大于95％，并且由于其熱傳導(dǎo)系數(shù)大，其能夠以紅外輻射的形式有效地將與金屬層面相貼的物體的熱量傳遞出去；所述透明薄膜能夠透過可見光，對可見光光譜范圍的輻射具有很小的吸收，因此，其在日光照射下不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生極為微小的熱量；粒徑為10nm-10μm且粒徑準(zhǔn)均勻分布的透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子能夠透過可見光，并且能夠?qū)崃客ㄟ^紅外輻射散失掉，從而使得所述復(fù)合膜自身具有的熱量極低，并且能夠快速地將與金屬層面相貼的物體的熱量散失，保證散熱效果，即所述復(fù)合膜具有紅外輻射散熱功能。

所述復(fù)合膜具有如下特征：能夠反射日光的照射，不在膜內(nèi)和膜后產(chǎn)生因日光輻照產(chǎn)生的熱量；而在紅外光譜范圍，由于透明粒子的獨(dú)特光學(xué)特性，能夠強(qiáng)烈地輻射由金屬層熱傳導(dǎo)而來的待散熱物質(zhì)的熱量。

所述透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的對紅外波段以上的光線的輻射系數(shù)為0.74-0.90，如0.75、0.78、0.81、0.83、0.85或0.88等。

優(yōu)選地，所述透明粒子選自透明的無機(jī)化合物粒子和/或透明的聚合物粒子。

優(yōu)選地，所述透明的無機(jī)化合物粒子選自二氧化硅粒子和/或碳化硅粒子。

優(yōu)選地，所述透明的聚合物粒子選自聚碳酸酯粒子、雅克力粒子或pet粒子中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合如聚碳酸酯粒子與雅克力粒子，聚碳酸酯粒子與pet粒子，聚碳酸酯粒子、雅克力粒子與pet粒子。

出于制備復(fù)合膜的成本考慮，優(yōu)選所述透明粒子為二氧化硅粒子。

所述透明粒子為圓珠狀或橢圓珠狀。所述透明粒子的形狀選自圓珠狀或橢圓珠狀的優(yōu)點(diǎn)在于便于理論設(shè)計(jì)和估算，按尺寸大小的均勻分布函數(shù)制作相對容易實(shí)現(xiàn)。

所述稀土元素選自銣(ru)、銪(eu)、鈮(nd)、銩(tm)或鈥(ho)中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如銣與銪，鈮、銩與鈥。稀土元素?fù)诫s能夠改變透明粒子的光學(xué)特性，從而使得透明粒子在不同的粒徑范圍內(nèi)對紅外波段具有增強(qiáng)輻射的功能。所述稀土元素?fù)诫s的透明粒子的制備方法如張?jiān)Ｇ涞热搜芯康姆腔瘜W(xué)計(jì)量摻雜稀土元素納米sio2復(fù)合粒子的制備方法：以有機(jī)硅烷及經(jīng)過干燥前處理后的稀土元素?zé)o機(jī)鹽為單體，分別溶于無水乙醇和蒸餾水中配制成各自的前驅(qū)體，在機(jī)械攪拌下均勻混合，在超聲波環(huán)境下，以氨水作為緩沖溶液的堿性條件下進(jìn)行水解，形成均一、穩(wěn)定、透明的溶膠，經(jīng)陳化得到凝膠，凝膠經(jīng)共沸蒸餾脫水，然后在馬弗爐中燒結(jié)得到無團(tuán)聚的摻雜稀土元素納米sio2復(fù)合粒子。

所述透明薄膜的厚度為20-100μm，如25μm、30μm、40μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm或95μm等。所述透明薄膜的厚度有利于與金屬層貼合的待散熱物體的熱量的散失。

所述透明薄膜選自聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如聚乙烯薄膜與聚丙烯薄膜，聚丙烯薄膜與聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜，聚乙烯薄膜與聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。

所述透明薄膜為透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子提供了一個連續(xù)的介質(zhì)，以保證復(fù)合薄膜的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)透明膜能夠使可見光穿透而避免由于光吸收所產(chǎn)生的熱量。

所述金屬層的厚度為0.1-1.0μm，如0.2μm、0.3μm、0.42μm、0.45μm、0.55μm、0.62μm、0.78μm、0.82μm或0.90μm等，優(yōu)選為0.1-0.5μm。所述金屬薄膜的厚度沒有特殊要求，只要能夠滿足反射可見光即可，其厚度可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，所述金屬層選自金層、銀層或鋁層中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如金層與銀層，金層與鋁層，金層、銀層與鋁層。

所述金屬層能夠反射上述透過透明薄膜的可見光，并具有良好的熱傳導(dǎo)性。

所述金屬層遠(yuǎn)離透明薄膜的一側(cè)還設(shè)置吸熱材料層和/或顏色涂層，當(dāng)同時(shí)設(shè)置吸熱材料層和顏色涂層時(shí)，顏色涂層位于最外層。

對于設(shè)置有吸熱材料層的復(fù)合膜，能夠更有效地吸收發(fā)熱物體的熱量，經(jīng)金屬層傳熱再輻射降溫；當(dāng)膜反過來使用時(shí)，吸熱材料層能夠吸收外界熱量，而保持內(nèi)部物體的熱量，并且向內(nèi)部輻射熱量，達(dá)到保溫效果。對于設(shè)置有顏色涂層的復(fù)合膜，此種膜(反過來使用)可用于軍事帳篷，以達(dá)到保溫和防止紅外探測(紅外阻隔)作用。

優(yōu)選地，所述吸熱材料層選自炭黑層。

優(yōu)選地，所述顏色涂層選自迷彩色層。

本發(fā)明還提供了如上所述復(fù)合膜的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

(1)將配方量的粒徑為10nm-10μm且粒徑準(zhǔn)均勻分布的透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子進(jìn)行表面修飾；

(2)在一層透明薄膜上均勻分布步驟(1)所得修飾后的透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子，再在其上覆蓋一層透明薄膜，經(jīng)冷壓或熱壓形成“三明治”結(jié)構(gòu)的薄膜；或，將步驟(1)所得修飾后的透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子與透明薄膜原料混合，制成薄膜；

(3)在步驟(2)所得薄膜一側(cè)制備金屬層，任選地，在金屬層遠(yuǎn)離透明薄膜的一側(cè)制備吸熱材料層和/或顏色涂層，得到所述復(fù)合膜。

步驟(1)所述表面修飾可采用本領(lǐng)域常規(guī)的方法進(jìn)行，其表面修飾的目的是為了便于透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子在透明薄膜中的分散。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的表面修飾方法。典型但非限制性的表面修飾方法如采用硅烷偶聯(lián)劑對二氧化硅表面進(jìn)行修飾。

步驟(2)所述透明薄膜可采用熔融、流延或拉伸的方法制備。

本發(fā)明中所述的透明薄膜與透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子形成的“三明治”結(jié)構(gòu)是指上下兩層透明薄膜將透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子包裹其中，經(jīng)冷壓或熱壓而形成的復(fù)合膜。

本發(fā)明還提供了如上所述的復(fù)合膜的用途，其用作散熱元件或保溫材料。

當(dāng)所述復(fù)合膜用作散熱元件時(shí)，所述散熱元件的金屬層與待散熱物質(zhì)貼合，當(dāng)可見光照射所述散熱元件時(shí)，由于復(fù)合膜中的透明薄膜和透明粒子均不吸收可見光，所述可見光直接照射到金屬層上，所述金屬層將可見光反射出去，其能夠反射約95％的可見光，待散熱物質(zhì)中產(chǎn)生的熱量通過金屬層(或吸熱材料層)傳遞給透明薄膜和透明粒子，透明粒子將熱量以紅外輻射的形式散失，從而保證待散熱物質(zhì)和所述散熱元件的溫度都維持在較低的水平。

當(dāng)所述復(fù)合膜用作保溫材料時(shí)，將分散有透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子的透明薄膜包裹待保溫件，金屬層向外，此時(shí)可達(dá)到保溫效果，該復(fù)合膜的保溫效果與7μm鋁箔比可提高10％-15％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的復(fù)合膜具有波譜響應(yīng)范圍寬(波長從0.4微米到20微米)，紅外輻射散熱性能和保溫性能好，在透明粒子和/或稀土元素?fù)诫s的透明粒子體積占透明薄膜體積的8％時(shí)，平均紅外發(fā)射率大于90％，并且能夠反射95％以上的陽光(可見光)。所述復(fù)合膜在太陽直射的條件下仍然能夠達(dá)到90瓦/平方米的冷卻效果。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

以下實(shí)施例采用比較法進(jìn)行復(fù)合膜的散熱性能測試，具體地：選取兩個相同的圓柱(管)體容器：a和b，a與b的側(cè)面用隔熱材料包裹，端面均不作處理，a與b內(nèi)各放置一個精準(zhǔn)的溫度計(jì)，a和b相隔一定距離放置在相同的窗臺上使其一端面朝著窗外。預(yù)測量時(shí)校準(zhǔn)a與b內(nèi)的溫度計(jì)讀數(shù)，應(yīng)該與室溫讀數(shù)一致。測量復(fù)合膜散熱性能時(shí)，將a朝著窗外的端面貼上復(fù)合膜，復(fù)合膜與端面的接觸面積為s，并在復(fù)合膜的背面貼上可控的(微型平板式)發(fā)熱元件，b不作處理。在發(fā)熱元件不通電工作時(shí)，由于復(fù)合膜的輻射散熱，致使a內(nèi)的溫度下降。利用a與b的溫度差來反饋調(diào)控a圓柱體內(nèi)發(fā)熱元件的電壓或電流，最終使得a與b內(nèi)的溫度計(jì)的讀數(shù)一致。此時(shí)，發(fā)熱元件的熱功率即為復(fù)合膜的散熱功率。計(jì)算一段時(shí)間(上午9：00至下午4：00)內(nèi)加熱元件平均加熱功率w，將w與s的比值記為復(fù)合膜的單位面積的平均散熱功率。

實(shí)施例1

一種復(fù)合膜，包括透明薄膜，所述透明薄膜中分散有粒徑為10nm-10μm且粒徑準(zhǔn)均勻分布的透明粒子，所述透明薄膜的一側(cè)設(shè)置有金屬層；所述透明薄膜的厚度為20μm；所述透明粒子的體積為透明薄膜體積的8％，所述金屬層的厚度為0.1μm；

所述透明粒子選自二氧化硅粒子；所述透明粒子為圓珠狀；

所述透明薄膜選自聚乙烯薄膜；

所述金屬層選自金膜。

所述的復(fù)合膜的制備方法包括如下步驟：

(1)將配方量的粒徑為10nm-10μm且粒徑準(zhǔn)均勻分布的透明粒子進(jìn)行表面修飾，之后與透明聚合物薄膜原料混合，得到混合料；

(2)將混合料制備成薄膜；

(3)在薄膜一側(cè)制備金屬層，得到所述復(fù)合膜。

將所述的復(fù)合膜用作散熱元件，檢測其散熱性能如下：平均紅外輻射率為87％，散熱功率為85瓦/平方米(無陽光直射條件下)。

實(shí)施例2

一種復(fù)合膜，除所述透明薄膜的厚度為30-40μm，所述金屬層的厚度為0.2μm，所述透明粒子的體積為透明薄膜體積的2％外，其余與實(shí)施例1相同。

所述復(fù)合薄膜的制備方法包括如下步驟：

(1)將配方量的透明粒子進(jìn)行表面修飾；

(2)在15-20μm的透明薄膜上均勻分布的微粒，再覆蓋一層15-20μm的透明薄膜，冷壓后形成薄膜；

(3)在薄膜一側(cè)制備金屬層，得到所述復(fù)合膜。

將所述復(fù)合膜用作散熱元件，其散熱性能為：平均紅外輻射率為90％，散熱功率為93瓦/平方米(無陽光直射條件下)和90瓦/平方米(陽光直射下)。

實(shí)施例3

一種復(fù)合膜，除所述透明薄膜的厚度為30μm，所述金屬層的厚度為0.2μm，所述透明粒子的體積為透明薄膜體積的10％，所述金屬層上涂布1-5μm含有平均粒徑為0.1微米的碳黑的涂層外，其余與實(shí)施例1相同。

所述復(fù)合膜的制備方法除步驟(3)為在薄膜的一側(cè)制備金屬層，并在金屬層上涂布炭黑層，得到復(fù)合膜外，其余與實(shí)施例1所述的制備方法相同。

將所述復(fù)合膜用作散熱元件，其散熱性能為：平均紅外輻射率為80％，散熱功率為78瓦/平方米(無陽光直射條件下)。

將實(shí)施例3所述的復(fù)合膜用作保溫元件，即將含碳黑涂層朝外覆蓋在物體上(周圍)以保持被包裹物體的熱量。其保溫性能為：相比7μm鋁箔包裹，保溫效率提高10％-15％，但復(fù)合膜的撕裂強(qiáng)度要比鋁箔強(qiáng)10-50倍。

實(shí)施例4

一種復(fù)合薄膜及其制備方法，除透明薄膜的厚度為100μm，金屬層的厚度為1.0μm外，其余與實(shí)施例3相同。

將所述復(fù)合膜用作散熱元件，其散熱性能為：平均紅外輻射率為79％，散熱功率為78瓦/平方米(無陽光直射條件下)。

另外，將實(shí)施例1-4中的二氧化硅粒子替換為碳化硅粒子后制成的復(fù)合膜用作散熱元件，其散熱性能為：平均紅外輻射率為80％-85％，散熱功率為80-92瓦/平方米(無陽光直射條件下)。

實(shí)施例5

一種復(fù)合膜，除所述透明薄膜選自聚丙烯膜外，其余與實(shí)施例3相同。