CN103805144A - 一种石墨烯导热膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨烯导热膜的制备方法为：将石墨烯粉末、分散剂和增强剂均匀分散于水中，得到混合液；将所述混合液经过滤，烘干，压膜成型得到石墨烯导热膜。本发明所述方法将石墨烯粉末进行了片层之间的堆叠，形成石墨烯微片，碳原子面不会弯曲变形，保持了稳定结构，因此得到的石墨烯导热膜具有优异的导电性能及柔韧度。而且本发明所述方法制备的石墨烯导热膜还具有优异的强度。实验结果表明，得到的石墨烯导热膜厚度为10～50μm，导热系数为400～1500W/m·K，力学拉伸强度为10～50MPa。

Description

一种石墨烯导热膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及石墨烯领域，特别涉及石墨烯导热膜及其制备方法。

背景技术

导热石墨烯膜又称导热石墨片，是近年来新型的一种新型的导热散热材料，已经广泛被应用于电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域。导热石墨烯膜具有如下优点：（1）高导热系数，可达到1200-1800W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，电阻率约为10^-6Ω·cm，而且电子迁移的速度极快；（2）低热阻：热阻比铝低40%，比铜低20%。重量轻：重量比铝轻25%，比铜轻75%；（3）导热石烯墨膜表面可以与金属、塑胶、不干胶等其它材料组合以满足更多的设计功能和需要，可以根据实际形状需要对石墨导热膜进行切割裁剪。

目前导热石墨烯膜的制备方法主要有热膨胀法和高分子热分解法。利用热膨胀法得到的石墨烯膜，结晶性能差，热扩散性差，导热系数低，一般为200-500W/m·K、耐弯曲性能差。如：申请号为201110002281.0的中国专利以石墨为原料，在950℃的膨胀炉内进行热膨胀加工，最后经过压延，得到超薄石墨烯纸。石墨烯纸的厚度为40微米，导热系数为300W/m·K。在该制备方法中，工艺简单，但是制备的石墨纸导热系数低，导热性能较差

利用高分子热解法能到导热性能较好的石墨烯膜，但是工艺繁琐，每次只能得到片状的石墨膜，产率低。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种石墨烯导热膜及其制备方法，操作简单高效，得到的石墨烯导热膜导热性能好。

本发明提供了一种石墨烯导热膜的制备方法，包括以下步骤：

（A）将石墨烯粉末、分散剂和增强剂均匀分散于水中，得到混合液；

（B）将所述混合液经过滤，烘干，压膜成型得到石墨烯导热膜。

优选的，所述步骤（A）中，在水中还添加掺杂物质，所述掺杂物质为氮化硼、炭黑、碳纳米纤维、膨胀石墨片和鳞片状碳粉中一种或者多种。

优选的，所述步骤（B）中，所述烘干的温度为80～150℃，所述烘干的时间为1～30分钟。

优选的，步骤（B）中，所述压膜成型后还包括在惰性气氛下进行热处理，所述热处理的温度为500～1500℃，所述热处理的时间为1～120分钟。

优选的，所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、羟甲基纤维素钠、磷酸二氢钠和三聚磷酸钠中的一种或多种。

优选的，所述增强剂为季铵盐型淀粉、叔胺基乙基醚、磷酸酯淀粉、壳聚糖、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺和聚酰胺环氧树脂中的一种或多种。

优选的，所述石墨烯粉末与掺杂物质的质量比为（1～10）：（0.1～3）。

优选的，所述石墨烯粉末在混合液中的质量分数为1～10%。

本发明还公开了一种上述技术方案所述方法得到的石墨烯导热膜，所述石墨烯导热膜的厚度为10～50μm。

与现有技术相比，本发明石墨烯导热膜的制备方法为：将石墨烯粉末、分散剂和增强剂均匀分散于水中，得到混合液；经过滤，烘干，压膜成型得到石墨烯导热膜。本发明所述方法将石墨烯粉末进行了片层之间的堆叠，形成石墨烯微片，碳原子面不会弯曲变形，保持了稳定结构，因此得到的石墨烯导热膜具有优异的导电性能及柔韧度。而且本发明所述方法制备的石墨烯导热膜还具有优异的强度。实验结果表明，得到的石墨烯导热膜的厚度为10～50μm，导热系数为400～1500W/m·K，力学拉伸强度为10～50MPa。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种石墨烯导热膜的制备方法，包括以下步骤：

（A）将石墨烯粉末、分散剂和增强剂均匀分散于水中，得到混合液；

（B）将所述混合液经过滤，烘干，压膜成型得到石墨烯导热膜。本发明的石墨烯导热膜生产工艺中，设备简单、操作简便、效率高、环保、成本低。制备的石墨烯导热膜导热性能好、柔韧度高、强度高、能形成卷的形式，可以应用于通讯工业、医疗设备、电脑、手机、PDP与PC之内存条、LED基板等散热领域中。

在本发明中，以石墨烯粉末为原料，首先石墨烯粉末、分散剂和增强剂混合，均匀分散于水中，得到混合液。所述石墨烯粉末的片层尺寸5～400μm，优选为10～300μm，更优选为50～150μm。选择适合的片层尺寸有利于石墨烯粉末形成均匀的混合液。所述石墨烯粉末在混合液中的质量分数优选为1～10%，更优选为3～8%。

所述分散剂的作用为促进各原料在水中的分散，所述分散剂优选为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、羟甲基纤维素钠、磷酸二氢钠和三聚磷酸钠中的一种或多种，更优选为聚乙二醇200或聚乙烯吡咯烷酮。所述分散剂在混合液中的质量百分含量优选为0.1～2%，更优选为0.5～1.5%。本发明对于所述分散剂的来源没有特殊限制，市售产品即可。

所述增强剂优选为季铵盐型淀粉、叔胺基乙基醚、磷酸酯淀粉、壳聚糖、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺和聚酰胺环氧树脂中的一种或多种。所述增强剂在混合液中的质量百分浓度优选为0.01～1%，更优选为0.1～0.7%。本发明对于所述增强剂的来源没有特殊限制，市售产品即可。

所述水中优选的还添加掺杂物质，所述掺杂物质的作用为提高混合液的浓度，便于成膜。所述掺杂物质优选为氮化硼，炭黑、碳纳米纤维、膨胀石墨片和鳞片状碳粉中一种或者多种。所述石墨烯粉末与掺杂物质的质量比优选为（1～10）：（0.1～3）。

本发明将所述几种原料均匀分散于水中，得到混合液。对于分散的形式没有特殊限制，所述分散的时间优选为1～5小时，优选为2～4小时。

得到混合液后，将所述混合液经过滤、烘干、压膜成型得到石墨烯导热膜。所述过滤、烘干和压膜成型优选利用成膜设备完成，所述成膜设备包括过滤器、烘干器和压膜机。所述过滤器的滤网孔径与石墨烯粉末的粒径呈对应关系，所述过滤器的滤网孔径优选小于等于石墨烯粉末的粒径，即过滤器滤网孔径越大，所述石墨烯粉末的粒径越大。所述过滤器的滤网孔径优选为40～3000目，更优选为80～1600目。所述烘干的温度优选为80～150℃，更优选为100～130℃。所述烘干的时间优选为1～30分钟，更优选为10～25分钟。

所述混合液压膜成型后，优选的还包括在惰性气氛下进行热处理，以得到效果更好的石墨烯导热膜。所述热处理采用的是低温处理，所述热处理的温度优选为500～1500℃，更优选为800～1300℃，最优选为900～1000℃。所述热处理的时间优选为1～120分钟，更优选为35～100分钟，最优选为60～80分钟。本发明得到的石墨烯导热膜柔韧性好，可以成卷。

本发明还公开了一种上述技术方案所述方法制备的石墨烯导热膜，所述石墨烯导热膜的厚度为10～50μm。

本发明石墨烯导热膜的制备方法为：将石墨烯粉末、分散剂和增强剂均匀分散于水中，得到混合液；将所述混合液经过滤，烘干，压膜成型得到石墨烯导热膜。本发明所述方法将石墨烯粉末进行了片层之间的堆叠，形成石墨烯微片，碳原子面不会弯曲变形，保持了稳定结构，因此得到的石墨烯导热膜具有优异的导电性能及柔韧度。而且本发明所述方法制备的石墨烯导热膜还具有优异的强度。

本发明采用的制备方法简单，不需要高价的设备也不需要较高的温度，节省能源，效率高，成本低。

实验结果表明，得到的石墨烯导热膜厚度为10～50μm，导热系数为400～1500W/m·K，力学拉伸强度为10～50MPa。表1为不同热处理温度，得到的不同厚度的石墨烯导热膜的性能参数。

表1本发明石墨烯导热膜性能参数

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的石墨烯导热膜及其制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

称取5.0g的石墨烯（10～45μm）粉末加入100g水中，加入3.0g碳纤维，加入0.5g聚乙烯醇增强剂和1.0g聚乙二醇200分散剂。使用搅拌机搅拌2h将上述溶液均匀分散。将上述分散好的石墨烯溶液，加入石墨烯膜成膜设备中（滤网目数1600目），使得石墨烯膜初步成型。将上述初步成型得到的石墨烯膜经过干燥温度为120℃、20min干燥后，取出，经压光机压光后得到表面均一、干燥的石墨烯膜。再将石墨烯膜经过850℃，热处理时间为60min热处理后取出，得到热处理后的石墨烯导热膜。将热处理得到的石墨烯导热膜经过压延机压延，得到最终具有高导热性、高柔韧性、高强度的石墨烯导热膜。该方法制备的高导热石墨烯导热膜的厚度为20μm，导热系数为906W/m·K，力学拉伸强度为45.2Mpa。

实施例2

称取4.0g的石墨烯粉末（45～150μm）加入100g水中，加入1.5g碳纤维，加入0.5g聚乙烯醇增强剂和0.5g聚乙二醇200分散剂。使用搅拌机搅拌2h将上述溶液均匀分散。将上述分散好的石墨烯溶液，加入石墨烯膜成膜设备中（滤网目数325目），使得石墨烯膜初步成型。将上述初步成型得到的石墨烯膜经过干燥温度为130℃、15min干燥后，取出，经压光机压光后得到表面均一、干燥的石墨烯膜。再将石墨烯膜经过900℃，热处理时间为60min热处理后取出，得到热处理后的石墨烯导热膜。将热处理得到的石墨烯导热膜经过压延机压延，得到最终具有高导热性、高柔韧性、高强度的石墨烯导热膜。该方法制备的高导热石墨烯导热膜的厚度为15μm，导热系数为820W/m·K，力学拉伸强度为43.7Mpa。

实施例3

称取3.0g的石墨烯粉末（75～180目）加入100g水中，加入2.0g碳纤维，加入1g聚丙烯酰胺和1.2g十二烷基磺酸钠。使用搅拌机搅拌2h将上述溶液均匀分散。将上述分散好的石墨烯溶液，加入石墨烯膜成膜设备中（滤网目数200），使得石墨烯膜初步成型。将上述初步成型得到的石墨烯膜经过干燥温度为100℃、30min干燥后，取出，经压光机压光后得到表面均一、干燥的石墨烯膜。再将石墨烯膜经过1250℃，热处理时间为60min热处理后取出，得到热处理后的石墨烯导热膜。将热处理得到的石墨烯导热膜经过压延机压延，得到最终具有高导热性、高柔韧性、高强度的石墨烯导热膜。该方法制备的高导热石墨烯导热膜的厚度为23μm，导热系数为855W/m·K，力学拉伸强度为44.6Mpa。

实施例4

称取6.0g的石墨烯粉末（150～180μm）加入100g水中，加入1.8g碳纤维，加入1.5g聚酰胺环氧树脂和0.3g磷酸二氢钠。使用搅拌机搅拌3h将上述溶液均匀分散（滤网目数100）。将上述分散好的石墨烯溶液，加入石墨烯膜成膜设备中，使得石墨烯膜初步成型。将上述初步成型得到的石墨烯膜经过干燥温度为140℃、10min干燥后，取出，经压光机压光后得到表面均一、干燥的石墨烯膜。再将石墨烯膜经过1300℃，热处理时间为50min热处理后取出，得到热处理后的石墨烯导热膜。将热处理得到的石墨烯导热膜经过压延机压延，得到最终具有高导热性、高柔韧性、高强度的石墨烯导热膜。该方法制备的高导热石墨烯导热膜的厚度为30μm，导热系数为769W/m·K，力学拉伸强度为45.3Mpa。

实施例5

称取7.0g的石墨烯粉末（150～420μm）加入100g水中，加入1.9g碳纤维，加入0.3g叔胺基乙基醚和0.5g十二烷基苯磺酸那。使用搅拌机搅拌2h将上述溶液均匀分散。将上述分散好的石墨烯溶液，加入石墨烯膜成膜设备中（滤网目数40），使得石墨烯膜初步成型。将上述初步成型得到的石墨烯膜经过干燥温度为120℃、20min干燥后，取出，经压光机压光后得到表面均一、干燥的石墨烯膜。再将石墨烯膜经过1300℃，热处理时间为100min热处理后取出，得到热处理后的石墨烯导热膜。将热处理得到的石墨烯导热膜经过压延机压延，得到最终具有高导热性、高柔韧性、高强度的石墨烯导热膜。该方法制备的高导热石墨烯导热膜的厚度为20μm，导热系数为1200W/m·K，力学拉伸强度为42.6Mpa。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯导热膜的制备方法，包括以下步骤：

（A）将石墨烯粉末、分散剂和增强剂均匀分散于水中，得到混合液；

（B）将所述混合液经过滤，烘干，压膜成型得到石墨烯导热膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（A）中，在水中还添加掺杂物质，所述掺杂物质为氮化硼、炭黑、碳纳米纤维、膨胀石墨片和鳞片状碳粉中一种或者多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（B）中，所述烘干的温度为80～150℃，所述烘干的时间为1～30分钟。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（B）中，所述压膜成型后还包括在惰性气氛下进行热处理，所述热处理的温度为500～1500℃，所述热处理的时间为1～120分钟。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、羟甲基纤维素钠、磷酸二氢钠和三聚磷酸钠中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强剂为季铵盐型淀粉、叔胺基乙基醚、磷酸酯淀粉、壳聚糖、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺和聚酰胺环氧树脂中的一种或多种。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末与掺杂物质的质量比为（1～10）：（0.1～3）。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末在混合液中的质量分数为1～10%。

9.根据权利要求1所述制备方法得到的石墨烯导热膜，其特征在于，所述石墨烯导热膜的厚度为10～50μm。