CN104387757A - 一种石墨烯复合导热塑料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，其特征在于，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量百分比为1％-10％。本发明采用单一同位素碳的碳氢气体作为原材料通过金属镍催化裂解反应制得的高质量单一同位素碳石墨烯粉体具有较高的导热率，将其与高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成的石墨烯复合导热塑料具有极其优良的导热性能和机械性能。

Description

一种石墨烯复合导热塑料及其制备方法

技术领域

本发明涉及到导热材料的技术领域，特别涉及到一种石墨烯复合导热塑料及其制备方法。

背景技术

与金属铝相比，导热塑料具有易成型、密度低以及绝缘耐高压等特点，在LED球泡灯、电池组散热外壳等产品中被采用。目前已公开的导热塑料相关专利，都是由一种或多种导热材料与高分子基体复合而成，其中导热材料的热导率和添加量决定了最终导热塑料的热导率。从这些已公开的专利来看，被广泛使用的导热材料包括氧化铝、氮化硼、氧化锆等绝缘的陶瓷类粉末，以及石墨、碳纤维等导电碳材料。陶瓷类粉末的热导率小于100W/m·K，而碳材料的导电特性限制了添加量，因此由上述技术所制备得到的导热塑料，热导率小于10W/m·K。

石墨烯是一种由碳原子按六边形排列而成的二维材料，理论上面内的热导率达到2000-5000W/m·K，远高于普通金属材料。因此，石墨烯作为一种导热材料与高分子基体复合，得到了性能较好的导热塑料。如专利201410221717.9公开了一种绝缘导热塑料及其制备方法，采用正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液改性石墨烯，并在塑料制备过程中分段式加入改性石墨烯以及选择改性石墨烯的合适用量，使得所得塑料具有优异的绝缘性和导热性。上述技术中所使用的石墨烯粉体是以石墨为原材料，通过剧烈的氧化插层、膨胀还原制得。然而，由于自然界中碳以¹²C、¹³C和¹⁴C几种同位素的形式存在，¹²C和¹³C的相当丰度分别为98.89％和1.11％，所以制得的石墨烯如图1所示，混杂存在¹²C11和¹³C12两种同位素的碳原子，破坏了晶格的周期性边条件，降低了声子强度，进一步减弱了石墨烯的导热率。除此之外，如图2所示，这种石墨烯带有大量的结构缺陷22和部分未还原的氧化基团22，包括-COOH、-OH和-CO等，这些结构缺陷和氧化基团破坏了石墨烯晶格的完整性，减低了声子格波的强度，从而极大地降低了石墨烯的热导率。由于上述的原因，这类石墨烯粉体碎片面内热导率小于1000W/m·K，远小于石墨烯热导率的理论值。而基于这种石墨烯粉体所制备得到的导热塑料，导热性能也受到了限制。如利用专利201410221717.9公开的方法所制备得到的导热塑料的热导率仅为10-20W/m·K。

为解决上述技术问题，还需要对石墨烯复合导热塑料及其制备方法进一步的进行研究，使制备的石墨烯复合导热塑料能够具有优良的导热性和机械性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯复合导热塑料，具有优良的导热性能和机械性能。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量百分比为1％-10％。

优选的，所述单一同位素碳石墨烯的厚度为0.335nm-3.35nm，即为1-10层碳原子。

优选的，所述单一同位素碳石墨烯为单一同位素碳的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一同位素碳构成的石墨烯。

优选的，所述单一同位素碳石墨烯为单一¹²C的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一¹²C构成的石墨烯。

优选的，所述单一同位素碳石墨烯为单一¹³C的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一¹³C构成的石墨烯。

优选的，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为85％-95％。

优选的，所述偶联剂的质量百分比为0.5％-2.5％，所述分散剂的质量百分比为0.5％-2.5％。

本发明还提供了一种石墨烯复合导热塑料的制备方法，包括如下步骤：

1)将由单一同位素碳构成的石墨烯粉末和偶联剂加入高速混合机中，在温度为50-120℃下混合均匀，对单一同位素碳构成的石墨烯的表面进行活化处理；

2)将1)得到的混合物转移至双螺杆挤出机中，加入高分子基体和分散剂，在温度为100-200℃下进行混合分散，充分混合均匀后，挤出造粒得到单一碳同位素石墨烯复合的导热塑料。

采用以上技术方案，采用气相法得到的单一同位素碳石墨烯与高分子基体复合，制备导热塑料，由于气相法得到的单一同位素碳石墨烯结构缺陷少，表面多余的化学基团，以及晶格中碳原子的质量单一，面内热导率高达4000W/m·K，以此石墨烯为导热材料所得到的导热塑料，在同等添加量的条件下，导热性能远高于其他类型的导热塑料。

附图说明

图1为现有技术中所制得的石墨烯结构示意图。

图2为现有技术中所制得的石墨烯存在的结构缺陷和氧化基团的结构示意

图。

图3为本发明单一¹²C构成的石墨烯的结构示意图。

图4为本发明单一¹³C构成的石墨烯的结构示意图。

图5为本发明石墨烯复合导热塑料的制备流程图。

图6为本发明制备的石墨烯复合导热塑料的电镜扫描图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量百分比为1％-10％。其中，所述单一碳同位素石墨烯的厚度为0.335nm-3.35nm，即为1-10层碳原子。所述单一碳同位素石墨烯为单一碳同位素的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一碳构成的石墨烯；所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为85％-95％；所述偶联剂的质量百分比为0.5％-2.5％，所述分散剂的质量百分比为0.5％-2.5％。

优选的，所述单一碳同位素石墨烯如图3所示优选为单一¹²C11的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一¹²C11构成的石墨烯。

优选的，所述单一碳同位素石墨烯如图4所示优选为单一¹³C12的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一¹³C12构成的石墨烯。

本发明还提供了一种石墨烯复合导热塑料的制备方法，如图5所示，包括如下步骤：

1)将由单一同位素碳构成的石墨烯粉末和偶联剂加入高速混合机中，在温度为50-120℃下混合均匀，对单一同位素碳石墨烯的表面进行活化处理；

2)将1)得到的混合物转移至双螺杆挤出机中，加入高分子基体和分散剂，在温度为100-200℃下进行混合分散，充分混合均匀后，挤出造粒得到单一同位素碳石墨烯复合的导热塑料，如图6所示，所述单一同位素碳石墨烯无序分布在高分子基体中。

实施例一：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量分数为1％，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为95％；所述偶联剂的质量百分比为2％，所述分散剂的质量百分比为2％。

实施例二：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量分数为3％，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为93.5％；所述偶联剂的质量百分比为2.5％，所述分散剂的质量百分比为1％。

实施例三：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量分数为5％，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为91.5％；所述偶联剂的质量百分比为1％，所述分散剂的质量百分比为2.5％。

实施例四：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量分数为7％，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为90％；所述偶联剂的质量百分比为1.5％，所述分散剂的质量百分比为1.5％。

实施例五：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量分数为9％，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为90％；所述偶联剂的质量百分比为0.5％，所述分散剂的质量百分比为0.5％。

实施例六：

一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量分数为10％，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为85％；所述偶联剂的质量百分比为2.5％，所述分散剂的质量百分比为2.5％。

将上述实施例中的石墨烯复合导热塑料进行导热性能测试，得出单一同位素碳石墨烯的含量对石墨烯复合导热塑料的导热性能的影响，见表1。

表1单一同位素碳石墨烯的含量对石墨烯复合导热塑料的导热性能的影响

实施例	单一同位素碳石墨烯(Wt％)	导热率(W/m·K)
			一	1	4
二	3	11.4
			三	5	14.3
四	7	16.5
			五	9	18.6
六	10	19.1

由此可见，采用将单一同位素碳石墨烯与高分子基体复合，制备的导热塑料，具有优良的导热性能，且导热性能随着单一同位素碳石墨烯含量的增加而增大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯复合导热塑料，所述导热塑料由石墨烯、高分子基体、偶联剂和分散剂复合而成，其特征在于，所述石墨烯为单一同位素碳石墨烯，其质量百分比为1％-10％。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热塑料，其特征在于，所述单一同位素碳石墨烯的厚度为0.335nm-3.35nm，即为1-10层碳原子。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热塑料，其特征在于，所述单一同位素碳石墨烯为单一同位素碳的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一同位素碳构成的石墨烯。

4.根据权利要求3所述的一种石墨烯复合导热塑料，其特征在于，所述单一同位素碳石墨烯为单一¹²C的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一¹²C构成的石墨烯。

5.根据权利要求3所述的一种石墨烯复合导热塑料，其特征在于，所述单一同位素碳石墨烯为单一¹³C的碳氢气体通过金属镍的催化裂解反应制备成的由单一¹³C构成的石墨烯。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热塑料，其特征在于，所述高分子基体为尼龙、PE、PP、PC、ABS、PA6、或者PPS中的至少一种，其质量百分比为85％-95％。

7.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合导热塑料，其特征在于，所述偶联剂的质量百分比为0.5％-2.5％，所述分散剂的质量百分比为0.5％-2.5％。

8.一种石墨烯复合导热塑料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将由单一同位素碳构成的石墨烯粉末和偶联剂加入高速混合机中，在温度为50-120℃下混合均匀，对单一同位素碳构成的石墨烯的表面进行活化处理；

2)将1)得到的混合物转移至双螺杆挤出机中，加入高分子基体和分散剂，在温度为100-200℃下进行混合分散，充分混合均匀后，挤出造粒得到单一碳同位素石墨烯复合的导热塑料。