CN104475316A - 一种石墨烯涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种石墨烯涂层的制备方法，其包括如下步骤：(1)将石墨烯加入水或有机溶剂中，采用高能超声法将石墨烯粉碎，制备成浓度为0.3-0.6mg/ml的石墨烯溶液，所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或其混合物；(2)先将基底材料预热至120℃-130℃，再将石墨烯溶液电喷涂在基底材料表面，喷涂厚度为5-45μm；所述基底材料为铜、金、银、铅、锡、铁、镁、塑料、玻璃、PCB板、钢、碳纤维材料、橡胶、锌、铝锌合金、纸、木材、PWB、二氧化硅、硅或其混合物，且所述基底材料与电喷涂设备喷嘴的距离为2.5-3.5cm。本发明可应用于散热技术领域，其可实现规模化生产纳米尺度的石墨烯片，生产成本较低。

Description

一种石墨烯涂层的制备方法
技术领域
本发明属于新材料制备及表面技术领域，其涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种石墨烯涂层的制备方法。
背景技术
石墨烯是单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的一种新型碳材料，其是构件其他维度碳质材料，如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨等的基本单元。单层石墨由于其大的比表面积，优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如：1，高强度，杨氏摩尔量，(1,100GPa)，断裂强度：(125GPa)；2，高热导率，(5,000W/mK)；3，高导电性、载流子传输率，(200,000cm2/V*s)；4，高的比表面积，(理论计算值：2,630m2/g)。尤其是其高导电性质，大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质，可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。
目前，电子器件体积越来越小，功率越来越大，带来了电子器件散热空间的局限性；同时，所用材料的多样性也使得在多种材料表面制备热界面材料的难度越来越大。如何使散热材料节省空间，同时提高散热效率，是当前散热领域的一大难题。
如何利用大量的纳米尺度的石墨烯片，在较低成本和贴近工业生产的过程中，制备成高质量的热界面材料，是目前面临的重要挑战之一。现有技术中使用化学气象沉积法(CVD)在金属基体表面制备单层石墨烯片，经转移后贴敷到目标基体上，然而，对于块体材料在散热技术领域的应用，CVD法制备的石墨烯片很难满足大规模材料使用的要求。
发明内容
本发明提出一种石墨烯涂层的制备方法，其解决了CVD法制备的石墨烯片很难满足大规模材料使用要求的缺陷。本发明可应用于散热技术领域，其可实现规模化生产纳米尺度的石墨烯片，生产成本较低。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种石墨烯涂层的制备方法，其包括如下步骤：(1)将石墨烯加入水或有机溶剂中，采用高能超声法将石墨烯粉碎，制备成浓度为0.3-0.6mg/ml的石墨烯溶液，所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或其混合物；(2)先将基底材料预热至120℃-130℃，再将石墨烯溶液电喷涂在基底材料表面，喷涂厚度为5-45μm；所述基底材料为铜、金、银、铅、锡、铁、镁、塑料、玻璃、PCB板、钢、碳纤维材料、橡胶、锌、铝锌合金、纸、木材、PWB、二氧化硅、硅或其混合物，且所述基底材料与电喷涂设备喷嘴的距离为2.5-3.5cm。
其中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯。
其中，高能超声粉碎处理的频率为21-23kHz，输出功率为350-550W，处理时间为10-18h。
其中，所述塑料为聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或教育片二氯乙烯；所述陶瓷为氧化铝陶瓷；所述钢为不锈钢或碳钢；所述碳纤维材料为碳纤维丝、碳纤维布或碳纤维管材。
其中，电喷涂设备的电压为7-8kv，电喷涂的时间范围为2.5-3.5min。
其中，所述多层石墨烯的层数为2-5层，其厚度为0.7-7nm，其平均直径为10-20μm。
本发明的方法可用于在材料表面制备石墨烯散热涂层，可实现连续喷涂，精确控制制备参数，可在材料表面制备出可控涂层材料，所获得的涂层的到热烈最高达到25W/(m.k)，相对于已经商业化的导热胶或者导热硅脂(导热率1-5W/(m.k))能够很大程度上提高材料表面的散热能力，从而保证电子器件的高功率输出，显示出极大的优势。因此本发明的方法可应用于散热技术领域。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种石墨烯涂层的制备方法，其包括如下步骤：(1)将石墨烯加入水或有机溶剂中，采用高能超声法将石墨烯粉碎，制备成浓度为0.3-0.6mg/ml的石墨烯溶液，所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或其混合物；(2)先将基底材料预热至120℃-130℃，再将石墨烯溶液电喷涂在基底材料表面，喷涂厚度为5-45μm；所述基底材料为铜、金、银、铅、锡、铁、镁、塑料、玻璃、PCB板、钢、碳纤维材料、橡胶、锌、铝锌合金、纸、木材、PWB、二氧化硅、硅或其混合物，且所述基底材料与电喷涂设备喷嘴的距离为2.5-3.5cm。
本发明步骤(1)中，单层石墨烯是指分子骨架由六边形晶格排列的单层石墨原子组成，且经过功能而得到的含有丰富有机官能团(有机官能团摩尔百分比通常为5％-30％)的二维平面材料，其厚度分布在0.34-1.4nm之间，平均直径在10-20μm；多层石墨烯的层数为2-5层，其厚度为0.7-7nm，其平均直径为10-20μm。
其中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯。
其中，高能超声粉碎处理的频率为21-23kHz，输出功率为350-550W，处理时间为10-18h。
其中，所述塑料为聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或教育片二氯乙烯；所述陶瓷为氧化铝陶瓷；所述钢为不锈钢或碳钢；所述碳纤维材料为碳纤维丝、碳纤维布或碳纤维管材。
其中，电喷涂设备的电压为7-8kv，电喷涂的时间范围为2.5-3.5min。
实施例1：单层石墨烯水溶液的制备
将0.3g单层石墨烯在1L水中用高能超声仪处理后，得到浓度为0.3mg/ml的石墨烯溶液，其中高能超声仪的高能超声条件如表1所示。
表1
1 2 3 4 5
频率(kHz) 21 22 23 23 21
功率(W) 350 400 450 500 550
时间(min) 18 16 14 12 10
实施例2：单层石墨烯有机溶液的制备
将0.4g单层石墨烯在1L氯仿中用高能超声仪处理后，得到浓度为0.4mg/ml的石墨烯溶液，其中高能超声仪的高能超声条件如表2所示。
表2
1 2 3 4 5
频率(kHz) 21 22 23 23 21
功率(W) 350 400 450 500 550
时间(min) 18 16 14 12 10
实施例3：多层石墨烯水溶液的制备
将0.5g多层石墨烯在1L水中用高能超声仪处理后，得到浓度为0.5mg/ml的石墨烯溶液(其中石墨烯层数为2-5层)，其中高能超声仪的高能超声条件如表3所示。
表3
1 2 3 4 5
频率(kHz) 21 22 23 23 21
功率(W) 350 400 450 500 550
时间(min) 18 16 14 12 10
实施例4：多层石墨烯有机溶液的制备
将0.6g多层石墨烯在1L丙酮中用高能超声仪处理后，得到浓度为0.5mg/ml的石墨烯溶液(其中石墨烯层数为2-5层)，其中高能超声仪的高能超声条件如表4所示。
表4
1 2 3 4 5
频率(kHz) 21 22 23 23 21
功率(W) 350 400 450 500 550
时间(min) 18 16 14 12 10
实施例5：将石墨烯溶液点喷涂在基底材料表面制备石墨烯涂层
将石墨烯溶液注入到电喷涂设备的喷嘴，调节喷嘴与基底材料例如铜表面的距离为2.5cm，电极的电压为7kv，喷涂时间为2.5min，基底材料预热的温度为120℃，进行喷涂、干燥，基底材料置于传动带上以实现连续喷涂，从而制备石墨烯涂层，其厚度为5μm，测得其导热率为25W/(m.k)。
实施例6：将石墨烯溶液点喷涂在基底材料表面制备石墨烯涂层
将石墨烯溶液注入到电喷涂设备的喷嘴，调节喷嘴与基底材料例如铜表面的距离为3cm，电极的电压为7.5kv，喷涂时间为3min，基底材料预热的温度为125℃，进行喷涂、干燥，基底材料置于传动带上以实现连续喷涂，从而制备石墨烯涂层，其厚度为20μm，测得其导热率为23W/(m.k)。
实施例7：将石墨烯溶液点喷涂在基底材料表面制备石墨烯涂层
将石墨烯溶液注入到电喷涂设备的喷嘴，调节喷嘴与基底材料例如铜表面的距离为3.5cm，电极的电压为8kv，喷涂时间为3.5min，基底材料预热的温度为130℃，进行喷涂、干燥，基底材料置于传动带上以实现连续喷涂，从而制备石墨烯涂层，其厚度为45μm，测得其导热率为20W/(m.k)。
本发明使用的石墨烯可采用机械剥离法、外延生长法、取向附生法及化学法等方法制备。其中，机械剥离法是通过机械力从体相石墨晶体的表面剥离出石墨烯片的方法；外延生长法是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶SiC(001)面上分解出石墨烯片层；取向附生法是利用生长基质的原子结构“种”出石墨烯；化学法是将石墨氧化变成氧化石墨，再在超声条件下得到氧化石墨溶液，再将其还原而制备石墨烯，氧化石墨的还原方法有很多，其中包括热冲击还原法(将石墨氧化物于有惰性气体保护的气氛下进行加热，使得其由棕黄色变成黑色，从而制备石墨烯粉末)和微波辐射法(可在室温下很短时间内还原石墨氧化物从而制备石墨烯)，优选使用微波辐射法对氧化石墨进行还原。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将石墨烯加入水或有机溶剂中，采用高能超声法将石墨烯粉碎，制备成浓度为0.3-0.6mg/ml的石墨烯溶液，所述石墨烯为单层石墨烯、多层石墨烯或其混合物；
(2)先将基底材料预热至120℃-130℃，再将石墨烯溶液电喷涂在基底材料表面，喷涂厚度为5-45μm；所述基底材料为铜、金、银、铅、锡、铁、镁、塑料、玻璃、PCB板、钢、碳纤维材料、橡胶、锌、铝锌合金、纸、木材、PWB、二氧化硅、硅或其混合物，且所述基底材料与电喷涂设备喷嘴的距离为2.5-3.5cm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯或三氯苯。
3.根据权利要求2所述的石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，高能超声粉碎处理的频率为21-23kHz，输出功率为350-550W，处理时间为10-18h。
4.根据权利要求3所述的石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，所述塑料为聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或教育片二氯乙烯；所述陶瓷为氧化铝陶瓷；所述钢为不锈钢或碳钢；所述碳纤维材料为碳纤维丝、碳纤维布或碳纤维管材。
5.根据权利要求4所述的石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，电喷涂设备的电压为7-8kv，电喷涂的时间范围为2.5-3.5min。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，所述多层石墨烯的层数为2-5层，其厚度为0.7-7nm，其平均直径为10-20μm。
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