CN106084392B - 一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料 - Google Patents

一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料，包括石墨烯0.05～5wt％，胶粘剂1～10％，石墨5～50wt％，基底树脂35～93.95wt％，石墨烯和石墨发生协同作用在导热复合材料中构成独立导热网络。首先在常温下将石墨烯与胶粘剂混合，搅拌均匀，让石墨烯均匀分于胶粘剂中。然后将石墨烯胶粘剂跟球状树脂加入到高速分散机中混合均匀。再将石墨加入，继续混合，形成具有内中外三层结构的核壳式导热球体。将球体放置到恒温干燥箱中干燥，去除胶粘剂中水分。最后通过压制成型。所述导热复合材料的导热系数最高可达5.2W/mK。该导热复合材料可广泛用于集成电子元件等电子元器件的散热领域。

Description

一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料
技术领域
本发明涉及导热高分子复合材料领域，尤其是涉及一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料。
背景技术
长久以来，由于电子信息工业中含有众多微型电子元件，元件的散热问题一直是人们关注的问题。现如今，随着大规模集成线路的飞速发展，特别是随着微电子器件的小型化、密集化、和功率的不断地增加，器件的散热问题变得日益重要，因此人们对导热材料提出了越来越高的要求，希望获得具有良好导热性能的材料以满足实际需要。因此急需寻找一种高效散热的导热复合材料。与此同时，由于石墨、石墨烯具有优良的导热性能，且高分子树脂材料拥有优良的加工性能，使得石墨、石墨烯树脂复合材料引起了人们的关注。
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来，目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。由于石墨烯的导热系数非常高，可达5300W/mK，且具有很高的厚径比，故加入少量石墨烯即可构成完善的导热网络，大大提高树脂的导热能力。由于在加工过程中石墨烯团聚较严重，所以制备石墨烯复合材料时需要将其进行高速剪切、乳化、超声等处理，以提高其分散性。石墨的结晶格架为六边形层状结构，具有优良的导电、导热性。传统的石墨/石墨烯树脂复合材料主要是将石墨与树脂通过挤出机、注塑机或密炼机进行简单共混制备的，制备的石墨/石墨烯树脂复合材料具有石墨分散不均匀，导热性能较差。往往只有当导热填料的重量分数超过50％的时候，传统石墨/石墨烯树脂复合材料的导热系数才有较大提高，且导热系数较难超过1W/mK。而且，由于在加工过程中石墨团聚较严重，所以制备的复合材料机械性能较差。石墨/石墨烯树脂复合材料也可以通过溶液混合的方法制备，以改善石墨极易团聚导致机械性能降低的缺陷。但此法污染严重，后期处理麻烦，成本过高。从而使得此法很难进行工业化生产。
传统的导热树脂是通过熔融共混法、溶液混合法制备。其中熔融共混法是将一定质量分数或体积分数的导热填料和基底树脂一起添加到树脂加工设备中，通过熔融共混将导热填料和基底树脂混合，达到导热填料在树脂中均匀分布的效果。溶液混合法通过向基底树脂添加配有导热填料的有机溶剂，之后有机溶剂挥发，导热填料较均匀分布于导热树脂表面而实现。其中熔融共混法的缺陷是需要添加大量的导热填料才能形成导热网络以达到预期导热性能。但力学性能往往随着导热填料的增加而大大降低。而溶液混合法后处理繁琐，具有污染性。
发明内容
本发明提出一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料,只需在胶粘剂中添加极少量石墨烯即可使原有石墨树脂复合材料的导热系数大大提高。而且此法制备的导热复合材料不仅导热性能优异，且拥有较为优良的力学性能，是一种极具实用价值的高导热树脂复合材料的制备方法。
本发明的一种技术方案是这样实现的：一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料，高导热石墨烯/石墨树脂复合材料包括以下组份，石墨烯0.05～5wt％，胶粘剂1～10％，石墨5～50wt％，基底树脂35～93.95wt％，所述石墨烯和石墨发生协同作用在导热复合材料中构成独立导热网络。
作为一种优选的技术方案，所述石墨烯是通过插层剥离法或石墨氧化还原法制备，石墨烯的尺寸范围为5～100μm，并通过超声处理，以提高石墨烯在胶粘剂中的分散性能。
作为一种优选的技术方案，所述的胶粘剂为聚苯乙烯类胶粘剂、醋酸乙酯类胶粘剂中的任意一种或两种的混合体。
作为一种优选的技术方案，所述的基底树脂为聚苯乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯中的一种或两种以上的树脂料的混合体。
作为一种优选的技术方案，所述的基底树脂为球形或近似球形。
本发明的另一种技术方案是这样实现的：一种新型高导热石墨烯/石墨树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在常温条件下，将石墨烯分为2-3等份加入到胶粘剂中，搅拌均匀，置于超声装置中进行处理，获得石墨烯胶粘剂；
(2)将基底树脂加入到步骤(1)所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在基底树脂的表面；
(3)在常温条件下，将石墨分为3-4等份，分次加入到步骤(2)得到的包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中，搅拌均匀，获得具有内中外三层结构的核壳式导热球体；
(4)将步骤(3)得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50～75℃的恒温干燥箱中干燥15～28小时，去除石墨烯胶粘剂中水分；
(5)将干燥过后的具有内中外三层结构的核壳式导热球体进行压制成型操作，制成与模具型腔一致的样品。
作为一种优选的技术方案，所述步骤(1)和步骤(3)中每一次加入石墨烯、石墨时，分别将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，2-3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌2-3分钟，反复进行上述操作直至石墨烯、石墨加入完成并搅拌均匀。
作为一种优选的技术方案，所述恒温干燥箱的温度为50℃-75℃。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明的这种高导热石墨/石墨烯树脂复合材料的最外层为导热石墨，中心为树脂，中间层为石墨烯胶粘剂。其最外层的导热石墨与中间层的导热石墨烯可以形成两条导热通道，其导热网络的建立使得导热性能远远高于单纯导热石墨制备的导热石墨树脂复合材料。通过添加极少量的石墨烯便可在原有导热石墨树脂复合材料导热系数基础上大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图。
其中：1、基底树脂；2、石墨烯胶粘剂；3、核壳式导热球体；4、压制成型操作；5、成品。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。
一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料，该导热复合材料主要由石墨烯胶粘剂，石墨、基底树脂组成。石墨烯在该树脂复合材料中占0.05～5wt％，胶粘剂在该树脂复合材料中占1～10％，石墨在该树脂复合材料中占5～50wt％，基底树脂在该树脂复合材料中占35～93.95wt％。所述石墨烯和石墨发生协同作用在导热复合材料中构成独立导热网络。
作为一种优选的技术方案，所述石墨烯是通过插层剥离法或石墨氧化还原法制备，石墨烯的尺寸范围为5～100μm，并通过超声处理，以提高石墨烯在胶粘剂中的分散性能。胶粘剂为聚苯乙烯类胶粘剂、醋酸乙酯类胶粘剂中的任意一种或两种的混合体。基底树脂为聚苯乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯中的一种或两种以上的树脂料的混合体。基底树脂为球形或近似球形。
一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料的制备方法如下：
首先，在常温条件下，将石墨烯填料分为2-3等份加入到胶粘剂中，同时进行搅拌，其中每一次加入导热填料石墨烯时，分别将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，2-3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌2-3分钟，反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀。
然后，将基底树脂加入到步骤(1)所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀；使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在基底树脂的表面。
此后，在常温条件下，将石墨粉末填料分为3-4等份，分次加入到步骤(2)得到的包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中，并且不断进行搅拌，其中每一次加入导热填料石墨时，分别将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，搅拌2-3分钟，然后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌2-3分钟，反复进行上述操作，直至石墨加入完成并搅拌均，制备成图1中(3)所示的结构。
进而，将步骤(3)得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50～75℃的恒温干燥箱中干燥15～28小时，去除胶粘剂中水分。
最后，将干燥过后的具有内中外三层结构的核壳式导热球体进行压制成型操作，制成与模具型腔一致的样品(图一中(5)所示)。
实施例1
首先，在常温条件下，将0.025g石墨烯填料分为3等份加入到2.498g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将37.451g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把10g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50℃的恒温干燥箱中干燥20小时。
将制备的核壳式导热球体在180℃，10MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为1.5W/mK。
实施例2
首先，在常温条件下，将0.1g石墨烯填料分为3等份加入到2.495g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将37.405g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把10g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50℃的恒温干燥箱中干燥20小时。
将制备的核壳式导热球体在180℃，10MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为2.2W/mK。
实施例3
首先，在常温条件下，将0.25g石墨烯填料分为3等份加入到2.486g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟。反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将35.577g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把10g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50℃的恒温干燥箱中干燥20小时。
将制备的核壳式导热球体在180℃，10MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为3.4W/mK。
实施例4
首先，在常温条件下，将0.5g石墨烯填料分为3等份加入到2.470g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将37.030g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把10g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，2-3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50℃的恒温干燥箱中干燥20小时。
将制备的核壳式导热球体在180℃，10MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为4.7W/mK。
实施例5
首先，在常温条件下，将0.5g石墨烯填料分为3等份加入到2.158g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟。反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将32.342g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把15g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟。反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50℃的恒温干燥箱中干燥20小时。
将制备的核壳式导热球体在180℃，10MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为5.2W/mK。
实施例6
首先，在常温条件下，将0.025g石墨烯填料分为3等份加入到2.498g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟。反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将37.451g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把10g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟，反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为65℃的恒温干燥箱中干燥18小时。
将制备的核壳式导热球体在120℃，15MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为1.2W/mK。
实施例7
首先，在常温条件下，将0.5g石墨烯填料分为3等份加入到2.470g胶粘剂中搅拌，其中每次加入石墨烯时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟。反复进行上述操作直至石墨烯加入完成并搅拌均匀；然后将37.030g高密度聚乙烯加入到所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在高密度聚乙烯的表面；再把10g石墨粉末填料分为3等份，分次加入到上述包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中搅拌，其中每次加入石墨时将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌3分钟。反复进行上述操作直至石墨加入完成并搅拌均匀，把得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为75℃的恒温干燥箱中干燥15小时。
将制备的核壳式导热球体在200℃，4MPa的条件下压缩成型，最终样品的导热系数为1.1W/mK。
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 (1)

1.一种高导热石墨烯/石墨树脂复合材料，其特征在于，高导热石墨烯/石墨树脂复合材料包括以下组份，石墨烯0.05～5wt％，胶粘剂1～10％，石墨5～50wt％，基底树脂35～93.95wt％，所述石墨烯和石墨发生协同作用在导热复合材料中构成独立导热网络，所述的基底树脂为聚苯乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯中的一种或两种以上的树脂料的混合体；
所述石墨烯是通过插层剥离法或石墨氧化还原法制备，石墨烯的尺寸范围为5～100μm，并通过超声处理，以提高石墨烯在胶粘剂中的分散性能；
所述的胶粘剂为聚苯乙烯类胶粘剂、醋酸乙酯类胶粘剂中的任意一种或两种的混合体，所述的基底树脂为球形或近似球形；
高导热石墨烯/石墨树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在常温条件下，将石墨烯分为2-3等份加入到胶粘剂中，搅拌均匀，置于超声装置中进行处理，获得石墨烯胶粘剂；
(2)将基底树脂加入到步骤(1)所得的石墨烯胶粘剂中，搅拌均匀，使混有石墨烯的胶粘剂均匀的分布在基底树脂的表面；
(3)在常温条件下，将石墨分为3-4等份，分次加入到步骤(2)得到的包裹有石墨烯胶粘剂的树脂中，搅拌均匀，获得具有内中外三层结构的核壳式导热球体；
(4)将步骤(3)得到的具有内中外三层结构的核壳式导热球体放置到温度为50～75℃的恒温干燥箱中干燥15～28小时，去除石墨烯胶粘剂中水分；
(5)将干燥过后的具有内中外三层结构的核壳式导热球体进行压制成型操作，制成与模具型腔一致的样品；所述步骤(1)和步骤(3)中每一次加入石墨烯、石墨时，分别将搅拌速度由5rpm调节到30rpm，不断搅拌，2-3分钟后再将搅拌速度调节为5rpm，搅拌2-3分钟，反复进行上述操作直至石墨烯、石墨加入完成并搅拌均匀；所述恒温干燥箱的温度为50℃-75℃。
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