CN104354447B - 一种石墨烯复合导热膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种膜材料，特别是一种高导热石墨烯复合导热膜的制备方法。首先通过改进的hummers法制备氧化石墨烯溶液，然后在其中加入碳纤维混合涂覆成膜，此膜经过化学还原得到石墨烯复合导热膜。通过这种方法制备的导热复合导热膜不仅可以在常温常压下实现，而且石墨烯膜脆硬的缺点也得到了改善。其导热膜的导热系数达到500-2000w/（m·k），拉伸强度达到2-100MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜材料，特别是一种新型石墨烯复合导热膜的制备方法。
背景技术
随着电子技术的迅速发展,电子元器件的集成程度和功率密度不断提高，电子器件的耗散功率密度和发热量越来越大。因此,散热问题变得越来越重要，对热管理技术的要求也更加严格。
石墨烯是二维sp2键的单层碳原子晶体，与三维材料不同，其低维结构可显著削减晶界处声子的边界散射，并赋予其特殊的声子扩散模式。研究表明，室温下石墨烯的热导率（K）已超越块体石墨（2000w/（m·k））、碳纳米管（3000~3500w/（m·k））和钻石等同素异形体的极限，达到5300w/（m·k），远超银（429w/（m·k））和铜(401w/(m·k))等金属材料。优异的导热和力学性能使石墨烯在热管理领域极具发展潜力，但这些性能都是基于微观的纳米尺度，难以直接利用。因此，将纳米的石墨烯宏观组装形成薄膜材料，同时保持其纳米效应是石墨烯规模化应用的重要途径。石墨烯基薄膜可作为柔性面向散热体材料，满足LED照明、计算机、卫星电路、激光武器、手持终端设备等高功率、高集成度系统的散热需求。这些研究成果为结构/功能一体化的炭/炭复合材料的设计提供了一个全新视角。
发明内容
本发明所要解决的技术难题是，克服现有技术的不足，提供一种高导热的复合导热膜的制备方法。
本发明的技术解决方案是：首先通过改进的hummers法制备氧化石墨烯溶液，然后将氧化石墨烯溶液与碳纤维混合涂覆成膜，再将此膜进行化学还原得到石墨烯复合导热膜。
具体制备工艺步骤如下：
（1）制备氧化石墨烯溶液:称取一定量的鳞片石墨，向其中加入浓硫酸与磷酸，得到混合溶液，将此混合溶液置于水浴锅中中温40-60℃搅拌反应20-60min后，升至高温50-100℃，再向其中缓慢加入高锰酸钾，继续搅拌3-10h；反应结束后，用盐酸和去离子水混合溶液超声离心清洗，得到氧化石墨，将此氧化石墨超声分散于去离子水中得到氧化石墨烯溶液；
（2）将上述步骤（1）中得到的氧化石墨烯溶液中加入适量的碳纤维，机械搅拌混合均匀，得到氧化石墨烯与碳纤维的混合溶液；
（3）将上述步骤（2）中得到的混合溶液均匀的涂覆在事先涂好脱模剂的PET膜上，然后将其放入60-100℃烘箱中干燥2-10h后，再放入碘化钾溶液中还原得到石墨烯复合导热膜。
上述步骤（1）中所述鳞片石墨含量为3％～10％，尺寸为(1.0～2.0)×(0.5～1.0)mm，片厚0.02～0.05mm；浓硫酸的浓度大于等于70%；浓硫酸与磷酸的质量比为9:1,搅拌转速为200-1000r/min；离心清洗转速为400-1000r/min，时间为5-20min；超声功率50-200W，时间1-10h；浓硫酸，高锰酸钾的加入量分别为鳞片石墨质量的20-100倍，3-10倍。
上述步骤（2）中所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种或几种的混合物。
碳纤维含碳量大于95%，平均长度为10-20mm；其加入量为鳞片石墨质量的0.5-3倍；机械搅拌转速为200-500r/min，时间为1-3h。
上述步骤（3）中膜厚设定值为10-1000μm；碘化钾加入量为鳞片石墨质量的1-3倍。
本发明与现有技术相对比，所具备的优点是：
（1）通过将碳纤维复合到石墨烯导热膜中，在不影响石墨烯本身导热性能的前提下，增加复合膜的韧性，改善了以往石墨烯薄膜脆易碎的缺点。。
（2）采用这种方法制备导热膜在碘化钾溶液中进行还原的过程，不再需要高温高压的条件，使得导热膜的制备更加方便简单。
（3）采用改进的Hummers方法制备的氧化石墨，不仅缩短了反应的时间，而且大大提高了氧化程度。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的内容特点易于被本领域中的研究人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为详实的界定。
实施例1
将5g鳞片石墨置入三口烧瓶中，然后向其中缓慢加入300g浓硫酸与磷酸（9:1）的混合溶液。将此反应体系置于42℃的水浴锅中反应30分钟，然后将水浴锅的温度升到60℃，向其中缓慢的加入15g高锰酸钾，继续机械搅拌4h，整个过程搅拌速度为300r/min。反应结束后，用预先配置好的盐酸和去离子水在离心转速及时间分别为600r/min和5min的离心作用下清洗，得到氧化石墨。将此氧化石墨在100W超声条件下超声3h得到氧化石墨烯分散液。然后向其中加入2.5g碳纤维，在机械搅拌200r/min作用下混合1h，得到氧化石墨烯与碳纤维的混合溶液。然后将此混合溶液涂敷在事先涂上脱模剂的PET膜上，设定厚度值为10μm。将其放入70℃烘箱干燥6h。后将此膜放到100ml质量浓度为5%的碘化钾溶液中还原，制得新型高导热复合薄膜。该石墨烯复合导热膜的的导热系数为600w/（m·k），拉伸强度为10MPa。
实施例2
将5g鳞片石墨倒入三口烧瓶中，然后向其中缓慢加入400g浓硫酸与磷酸（9:1）的混合溶液。将此反应体系置于52℃的水浴锅中反应40分钟后将水浴锅的温度升到80℃，后向其中缓慢的加入高锰酸钾，继续机械搅拌6h。整个过程搅拌速度为600r/min左右。反应结束后，用预先配置好的盐酸和去离子水在离心转速及时间分别为400r/min和10min的离心作用下清洗得到氧化石墨。将上述所得的氧化石墨超声分散于去离子水中得到氧化石墨烯溶液，其中超声功率及时间分别为50W和5h。然后向其中加入5g碳纤维，在机械搅拌300r/min作用下混合2h得到氧化石墨烯与碳纤维的混合溶液。然后将此混合溶液涂敷在事先涂上脱模剂的PET膜上，设定厚度值为100μm。将其放入80℃干燥4h以后，后将此膜放到100ml质量浓度为10%的碘化钾溶液中还原制得新型高导热复合薄膜。该石墨烯复合导热膜的的导热系数为900w/（m·k），拉伸强度为45MPa。
Claims (5)
1.一种石墨烯复合导热膜的制备方法，其特征在于：首先通过改进的hummers法制备氧化石墨烯溶液，然后将氧化石墨烯溶液与碳纤维混合涂覆成膜，再将此膜进行化学还原得到石墨烯复合导热膜；具体制备工艺步骤如下：
（1）制备氧化石墨烯溶液:称取一定量的鳞片石墨，向其中加入浓硫酸与磷酸，得到混合溶液，将此混合溶液置于水浴锅中中温40-60℃搅拌反应20-60min后，升至高温50-100℃，再向其中缓慢加入高锰酸钾，继续搅拌3-10h；反应结束后，用盐酸和去离子水混合溶液超声离心清洗，得到氧化石墨，将此氧化石墨超声分散于去离子水中得到氧化石墨烯溶液；
（2）将上述步骤（1）中得到的氧化石墨烯溶液中加入适量的碳纤维，机械搅拌混合均匀，得到氧化石墨烯与碳纤维的混合溶液；
（3）将上述步骤（2）中得到的混合溶液均匀的涂覆在事先涂好脱模剂的PET膜上，然后将其放入60-100℃烘箱中干燥2-10h后，再放入碘化钾溶液中还原得到石墨烯复合导热膜。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述鳞片石墨含量为3％～10％，尺寸为(1.0～2.0)×(0.5～1.0)mm，片厚0.02～0.05mm；浓硫酸的浓度大于等于70%；浓硫酸与磷酸的质量比为9:1,搅拌转速为200-1000r/min；离心清洗转速为400-1000r/min，时间为5-20min；超声功率50-200W，时间1-10h；浓硫酸、高锰酸钾的加入量分别为鳞片石墨质量的20-100倍，3-10倍；上述鳞片石墨含量、浓硫酸的浓度以及浓硫酸、高锰酸钾的加入量，均以质量计。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热膜的制备方法，其特征在于：碳纤维含碳量大于95%，平均长度为10-20mm；其加入量为鳞片石墨质量的0.5-3倍；机械搅拌转速为200-500r/min，时间为1-3h。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热膜的制备方法，其特征在于：步骤（3）中石墨烯复合导热膜的膜厚设定值为10-1000μm；碘化钾加入量为鳞片石墨质量的1-3倍。
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