CN104229783B - 一种高导热石墨烯膜的制备方法 - Google Patents

一种高导热石墨烯膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导热石墨烯膜的制备方法。该方法将石墨烯或氧化石墨烯与溶剂混合，然后将混合液从具有一字形出口的制备装置中连续匀速挤出后进入凝固液，凝固成石墨烯或氧化石墨烯凝胶膜，干燥后送入高温炉中进行高温热处理，获得高导热石墨烯膜。高导热石墨烯膜的拉伸强度为20~300MPa，断裂伸长率为0.3-20%，导电率大于10000S/m，热导率为500-3000W/mK，该溶液湿纺制备方法简便、工艺简单、能耗低、绿色环保、可连续化操作，所获得的石墨烯膜厚度、尺寸均可以调节，导热性能优异，能够提高电子产品的散热效果，可以应用于许多不同的领域。

Description

一种高导热石墨烯膜的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯膜的制备方法，尤其涉及一种高导热石墨烯膜的制备方法。
背景技术
2010年，英国曼彻斯特大学的两位教授AndreGeim和KonstantinNovoselov因为首次成功分离出稳定的石墨烯获得诺贝尔物理学奖，掀起了全世界对石墨烯研究的热潮。石墨烯（Graphene）是一种单分子层二维晶体，具有已知材料最高的强度（Science,2008,321,385-388）以及优异的导电性和导热性，是目前最理想的二维纳米材料。宏观组装的石墨烯膜是纳米级石墨烯的主要应用形式，常用的制备方法是抽滤法、刮膜法、旋涂法、喷涂法和浸涂法等。但是，这些制备方法难以实现结构规整的石墨烯膜的大规模连续化制备。通过溶液湿纺的方法可以实现大面积石墨烯膜的连续化制备，通过进一步的高温处理，能够修补石墨烯的缺陷，能够有效的提高石墨烯膜的导电性和热导性，可以广泛应用于智能手机、智能随身硬件、平板电脑、笔记本电脑等高散热需求随身电子设备中去。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高导热石墨烯膜的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高导热石墨烯膜的制备方法，步骤如下：
（1）将1重量份的石墨烯或氧化石墨烯和5~150重量份的溶剂混合，超声混合后得到石墨烯或氧化石墨烯分散液；
（2）将步骤1制备的石墨烯或氧化石墨烯分散液以10~1000mL/h在一字形模口的制备装置中挤出，挤出后于10~80℃的凝固液中停留1~100秒凝固成膜，得到凝固的石墨烯或氧化石墨烯凝胶膜，并干燥；
（3）将干燥的石墨烯膜或氧化石墨烯膜送入充有惰性气体的高温炉中，以1-5℃/min的升温速度从室温（25℃）升温至3000℃，自然冷却后得到高导热石墨烯膜；高温炉的气压为一个大气压。
所述步骤（1）中的溶剂主要由水、甲醇、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亚砜、吡啶、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、丁酮、乙二醇、二甘醇中的一种或多种按任意配比混合组成。
所述步骤（2）中的一字形模口的制备装置为长方体结构，中间开有一个逐渐变窄的一字形模口。
所述步骤（2）中的凝固液主要由甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇、乙二醇、环己酮、丙三醇、乙酸丁酯、丙二醇、醋酸正丙酯、乙酸、丙三醇、异丁醇、乙酸甲酯中的一种或多种按照任意配比混合组成。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
本发明制备得到的高导热石墨烯膜由石墨烯沿平面方向排列堆积而成，拉伸强度为20~300MPa，断裂伸长率为0.3-20%，导电率大于10000S/m，热导率为500-3000W/mK。具有以下优点：1）采用溶液湿纺的方法，操作简便，节能环保；2）石墨烯或氧化石墨烯的初级原料为石墨，原料来源广泛、易得、成本低廉；3）制备的石墨烯膜由高度取向的石墨烯纳米片层层组装，有利于石墨烯膜对热和电的传导；4）热处理能有效修复化学剥离法制备石墨烯带来的缺陷；5）制得的高导热石墨烯膜有着很好的强度和韧性，同时有着优异的电导性和热导性。
附图说明
图1为一字形模口的制备装置的剖面图；
图2为一字形模口的制备装置的主视图；
图3为一字形模口的制备装置的后视图；
图4为石墨烯膜拉伸断面的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
如图1-3所示，一字形模口的制备装置为长方体结构，中间开有一字形模口，所述的一字形模口为一个逐渐变窄的流道。逐渐变窄的流道能有效增加流场对石墨烯片的作用力，有利于石墨烯分散体系规整取向结构的形成。
下面结合实施例对本发明作具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。
实施例1：
（1）将1g石墨烯和5g的N,N-二甲基甲酰胺，于20~80℃以5~50KHz的超声处理10小时，得到石墨烯分散液；
（2）将步骤1制备的石墨烯分散液以10mL/h在一字形模口的制备装置中挤出，挤出后于10℃的甲醇中停留100秒凝固成膜，得到凝固的石墨烯凝胶膜，并干燥；
（3）将干燥的石墨烯膜送入充有惰性气体的高温炉中，以5℃/min的升温速度从室温（25℃）升温至3000℃，自然冷却后得到高导热石墨烯膜；高温炉的气压为一个大气压；
经过以上步骤，制备宽度为50厘米，厚度为200微米的高导热石墨烯膜，如图4所示，所制备的高导热石墨烯膜由石墨烯纳米片沿平面方向层层堆砌而成，这种高度取向层状结构有利于制备的石墨烯膜在水平方向的热传导。此外，膜的拉伸强度为150MPa，断裂伸长率为1%，导电率大于10000S/m，热导率为3000W/mK。
实施例2：
（1）将1g氧化石墨烯和150g去离子水，于20~80℃以5~50KHz的超声处理0.1小时，得到氧化石墨烯分散液；
（2）将步骤1制备的氧化石墨烯分散液以1000mL/h在一字形模口的制备装置中挤出，挤出后于80℃的丙二醇中停留1秒凝固成膜，得到凝固的氧化石墨烯凝胶膜，并干燥；
（3）将干燥的氧化石墨烯膜送入充有惰性气体的高温炉中，以1℃/min的升温速度从室温升温至3000℃，自然冷却后得到高导热石墨烯膜；高温炉的气压为一个大气压；
经过以上步骤，制备宽度为100厘米，厚度为80微米的高导热石墨烯膜由石墨烯沿平面方向排列堆积而成，膜的拉伸强度为180MPa，断裂伸长率为1%，导电率大于10000S/m，热导率为2200W/mK。
实施例3：
（1）将1g石墨烯、50重量份的N,N二甲基乙酰胺、30重量份的丙酮，于20~80℃以5~50KHz的超声处理1小时，得到石墨烯分散液；
（2）将步骤1制备的石墨烯分散液以100mL/h在一字形模口的制备装置中挤出，挤出后于60℃的丙三醇和丙二醇的混合溶液（体积比3:1）中停留20秒凝固成膜，得到凝固的石墨烯凝胶膜，并干燥；
（3）将干燥的石墨烯膜送入充有惰性气体的高温炉中，以5℃/min的升温速度从室温升温至3000℃，自然冷却后得到高导热石墨烯膜；高温炉的气压为一个大气压；
经过以上步骤，制备宽度为30厘米，厚度为30微米的高导热石墨烯膜由石墨烯沿平面方向排列堆积而成，膜的拉伸强度为180MPa，断裂伸长率为1%，导电率大于10000S/m，热导率为2800W/mK。
实施例4：
1）将1g石墨烯和30重量份的，于20~80℃以5~50KHz的超声处理5小时，得到石墨烯分散液；
2）将步骤1制备的石墨烯分散液以10~1000mL/h在一字形模口的制备装置中挤出，挤出后于60℃的醋酸正丙酯和乙酸甲酯的混合溶液（按照体积比1:1混合）中停留50秒凝固成膜，得到凝固的石墨烯凝胶膜，并干燥；
3）将干燥的石墨烯膜送入充有惰性气体的高温炉中，以3℃/min的升温速度从室温升温至3000℃，自然冷却后得到高导热石墨烯膜；高温炉的气压为一个大气压；
经过以上步骤，制备宽度为50厘米，厚度为40微米的高导热石墨烯膜由石墨烯沿平面方向排列堆积而成，膜的拉伸强度为190MPa，断裂伸长率为0.6%，导电率大于10000S/m，热导率为2700W/mK。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高导热石墨烯膜的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：
（1）将1重量份的石墨烯或氧化石墨烯和5~150重量份的溶剂混合，超声分散后得到石墨烯或氧化石墨烯分散液；
（2）将步骤1制备的石墨烯或氧化石墨烯分散液以10~1000mL/h在一字形模口的制备装置中挤出，挤出后于10~80℃的凝固液中停留1~100秒凝固成膜，得到凝固的石墨烯凝胶膜或氧化石墨烯凝胶膜，并干燥；
（3）将步骤（2）干燥后的的石墨烯凝胶膜或氧化石墨烯凝胶膜送入充有惰性气体的高温炉中，以1-5℃/min的升温速度从室温升温至3000℃，自然冷却后得到高导热石墨烯膜；高温炉的气压为一个大气压；
所述步骤（1）中的溶剂主要由水、甲醇、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亚砜、吡啶、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、丁酮、乙二醇、二甘醇中的一种或多种按任意配比混合组成；
所述步骤（2）中的一字形模口的制备装置为长方体结构，中间开有一个逐渐变窄的一字形模口；
所述步骤（2）中的凝固液主要由甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇、乙二醇、环己酮、丙三醇、乙酸丁酯、丙二醇、醋酸正丙酯、乙酸、异丁醇、乙酸甲酯中的一种或多种按照任意配比混合组成。
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