CN108264771A - 一种石墨烯导热硅脂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种石墨烯导热硅脂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种导热硅脂，尤其涉及一种石墨烯导热硅脂的制备方法及其应用。本发明采用液相超声剥离法制备的石墨烯为原料，并在加入导热硅脂之前进行干燥活化处理，再以导热硅脂为基料，通过真空搅拌的方式将活化后的石墨烯粉体添加并均匀分散至导热硅脂中，形成石墨烯导热硅脂。本发明制得的石墨烯导热硅脂，其稳定性、使用寿命以及导热性能均得到显著提升。

Description

一种石墨烯导热硅脂的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及导热硅脂，尤其涉及一种石墨烯导热硅脂以及石墨烯导热硅脂的制备方法。
背景技术
导热硅脂(又称散热膏)是一种膏状的热界面导热材料，可用于发热或散热元件的散热，具有良好的导热性能，常应用于电子产品等领域。其主要特点是：既可应用于快速释放电子产品使用时产生的热量，也可应用于航空航天、电子电气等领域中需要散热、传热或绝缘等部位；能及时排除电子设备使用过程中产生的大量热量，在电子产品的密集化、小型化、可靠性、精密度及使用寿命等方面具有重要作用。导热硅脂具有良好的流动性，能填充上述空隙，从而保证了电子元件和散热片之间的紧密接触，并增加了接触面积、提高了传热效率，进而能最大程度地将发热元件工作时所产生的热量迅速而均匀地传至散热片，使散热效果达到最佳。因此，导热硅脂性能的好坏对电子元件的散热性能影响极大，本领域技术人员也一直致力于研究导热性能更好的导热硅脂，以便提高产品的导热散热性能。
石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化形成的六元环平面结构，是一种理想化的二维平面材料。由于其特殊的二维晶体结构，有着很好的机械强度、电子迁移率、高比表面积等特点。同时也有着很高的理论热导率，超过5300W/m·K，远远高于石墨、碳纳米管等其他碳材料的热导率，是已知热导率最高的材料。由于石墨烯在片层平面内是各项同性的，在平面内的热传导不会存在方向性。因此将石墨烯用于导热领域，开发新型的导热薄膜是非常有必要，也是最有可能实现的。
W.Yu等人分别研究了以石墨烯微片、氧化还原石墨烯和石墨烯微片/不同粒度的氧化铝为导热填料制备的高导热硅脂，发现石墨烯微片能够极大地增加基础脂的导热性能。由于氧化还原石墨烯多孔结构对硅脂的黏度影响较大，仅能在较低浓度下增加硅脂的导热性能；相比于单一的石墨烯微片填料和氧化铝填料，石墨烯微片/氧化铝复合填料具有协同导热效应，能够提高硅脂的导热性能(参见“YU W，XIE H，YIN L，et al.Exceptionallyhigh thermal conductivity of thermal grease：Synergistic effects of grapheneand alumina[J].Int J Therm Sci，2015，91：76-82.”以及“YU W，XIE H，CHEN L，etal.Graphene based silicone thermal greases[J].Phys Lett A，2014，378(3)：207-211.”)。K.M.Shahil等人将多层石墨烯作为导热填料加入到一种热导率5.8W/(m·K)的导热硅脂中，少量添加就能极大提高基础脂导热性能，添加后的热导率最大可达14W/(m·K)(参见“SHAHIL K M，BALANDIN A A.Graphene-multilayer graphene nanocomposites ashighly efficient thermal interface materials[J].Nano Lett，2012，12(2)：861-867.”)。在公布号为CN102634212A的专利文献中公开了一种导热硅脂组合物，该导热硅脂组合物主要由碳纳米管、石墨烯、相变胶囊颗粒物和硅油等组成。利用碳纳米管能进一步加速热量的传导，而相变胶囊颗粒物用于提高热端的初始温度吸收速率，最终在流体内部形成了由颗粒(相变胶囊)+线(碳纳米管)+平面(石墨烯)等组成的全三维网络分布的组合物。这种导热硅脂组合物具有热导率高、热阻值低等特征，从而明显提高了导热硅脂的散热效率和使用寿命，具有良好的实用价值。
然而，这些研究中使用的石墨烯是直接作为导热填料加载导热硅脂中，而导热硅脂中的石墨烯会发生团聚，石墨烯不能均匀地分散在导热硅脂中，影响导热硅脂的导热均匀性。同时，石墨烯与导热硅脂之间的相容性较差，这也不利于导热硅脂的导热性能的提升。
基于此，如何将石墨烯均匀地分布在导热硅脂中，进一步提高导热硅脂的导热性能，是本领域技术人员需要解决的一大难题。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种石墨烯导热硅脂的制备方法，制备得到的导热硅胶中的石墨烯能均匀分布在导热硅胶中，最终得到导热性能明显提高的石墨烯导热硅脂。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种石墨烯导热硅脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯粉体置于65～90℃条件下的真空烘箱中，真空干燥1～2h，以去除石墨烯中的残余水分以及对石墨烯进行活化，得到活化后的石墨烯粉体；
(2)称取一定质量的空白导热硅脂置于真空搅拌釜中，并真空条件下搅拌1～2h，搅拌机转速为400～600r/min，真空度为-0.1MPa；
(3)称取一定质量比例步骤(1)中制得的活化后的石墨烯粉体，添加比例为1～5％，置于步骤(2)中搅拌好的空白导热硅脂中，并在200～400r/min转速和真空度为-0.1Mpa条件下，搅拌1～2h，使石墨烯粉体和导热硅脂初步混合均匀，得到石墨烯导热硅脂前驱体；
(4)将步骤(3)中初步混合均匀的石墨烯导热硅脂前驱体置于温度为120～180℃，真空度为-0.1Mpa的恒温真空烘箱中，加热1～2h，对石墨烯导热硅脂前躯体进行熟化处理；
(5)将步骤(4)中熟化处理之后的石墨烯导热硅脂前驱体置于真空度为-0.1Mpa的真空搅拌机中以800～1500r/min的转速持续搅拌12～48h，即可得到搅拌均匀且稳定分散的石墨烯导热硅脂。
采用自制的LED灯导热测试装置对制备好的石墨烯导热硅脂的导热性进行初步评价。同时，寄送样品至广州特种承压设备检测研究院，通过导热硅脂导热系数测量装置测试石墨烯导热硅脂的真实导热系数。
优选地，导热硅脂选用卡夫特K-5211导热硅脂，这有利于提高导热硅脂的导热性能，得到的改性石墨烯导热硅脂可以应用于LED灯灯珠与散热翅片或基座连接处散热。
石墨烯导热硅脂中的石墨烯粉体的添加比例选择为1-5％，选择这个添加比例能够大幅提高产品导热性能，同时还可避免改性石墨烯在导热硅脂中发生团聚作用，也兼顾了生产成本因素。
本发明采用液相超声剥离法制备的石墨烯粉体为导热填料，并在加入导热硅脂之前进行干燥活化处理，有利于石墨烯粉体在导热硅脂中均匀分布，不易发生团聚作用。之后再以卡夫特K-5211导热硅脂为基料，通过真空搅拌的方式将活化后的石墨烯粉体添加并均匀分散至卡夫特K-5211导热硅脂中，形成新型的石墨烯导热硅脂，进一步提升导热硅脂的导热性能。本发明的石墨烯导热硅脂，可以广泛应用于航空航天、电子电气等领域。
本发明的有益效果：
本发明采用液相超声剥离法制备的石墨烯粉体为导热填料，并在加入导热硅脂之前进行干燥活化处理，并利用石墨烯的亲油性，进一步提高了石墨烯在导热硅脂中的分散性，能够提高导热硅脂的稳定性，降低离油度，提高使用寿命。同时，本发明通过添加少量石墨烯粉体即可大幅度提高导热硅脂的导热性能，大幅提高了导热硅脂的性能和价值。另外，本发明中，石墨烯导热硅脂的制备工艺简单，可以在现有导热硅脂成品的基础上直接添加，方便操作，成本低，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为实施例一中使用的石墨烯粉体的SEM图谱；
图2为实施例一中使用的石墨烯粉体的Raman图谱；
图3为实施例一制得的石墨烯导热硅脂。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。
实施例一：本发明提供一种石墨烯导热硅脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯粉体置于80℃条件下的真空烘箱中，真空干燥2h，以去除石墨烯中的残余水分以及对石墨烯进行活化，得到活化后的石墨烯粉体；
(2)称取一定质量的空白导热硅脂置于真空搅拌釜中，并真空条件下搅拌1h，搅拌机转速为600r/min，真空度为-0.1MPa；
(3)称取一定质量比例且干燥好的石墨烯粉体，添加比例为2.5％，置于步骤(2)中搅拌好的空白导热硅脂中，并在400r/min转速和真空度为-0.1Mpa条件下，搅拌1h，使石墨烯粉体和导热硅脂初步混合均匀，得到石墨烯导热硅脂前驱体；
(4)将步骤(3)中初步混合均匀的石墨烯导热硅脂前驱体置于温度为150℃，真空度为-0.1Mpa的恒温真空烘箱中，加热2h，对石墨烯导热硅脂前躯体进行熟化处理；
(5)将步骤(4)中熟化处理之后的石墨烯导热硅脂前驱体置于真空度为-0.1Mpa的真空搅拌机中以1000r/min的转速持续搅拌24h，即可得到搅拌均匀且稳定分散的石墨烯导热硅脂。
采用自制的LED灯导热测试装置对制备好的石墨烯导热硅脂的导热性进行初步评价。同时，寄送样品至广州特种承压设备检测研究院，通过导热硅脂导热系数测量装置测试石墨烯导热硅脂的真实导热系数。
本实施例一所使用的石墨烯粉体的SEM图谱和Raman图谱分别如图1和图2所示，从图1和图2中可以看出，石墨烯的片层完整，褶皱状少，Raman峰位置和峰强度均表明该石墨烯具有较好的本征性能，即导热性较好。图3为本实施案例一所得到的石墨烯导热硅脂照片，从图3中可以看出该石墨烯导热硅脂的色泽均一，离油度低，即石墨烯粉体在硅脂中分散均匀。
表1石墨烯导热硅脂的导热系数
样品编号 测试温度(℃) 导热系数W/(m·k)
空白导热硅脂 25 0.533
石墨烯导热硅脂 25 0.783
通过导热硅脂导热系数测量装置测试石墨烯导热硅脂的真实导热系数如表1所示。表1为石墨烯导热硅脂和空白导热硅脂的导热系数，可以看出空白导热硅脂的导热系数为0.533W/(m·k)，而所制备的石墨烯导热硅脂为0.783W/(m·k)，添加2.5wt.％石墨烯，使得空白导热硅脂的导热性能提升了46.9％，导热性能显著提升，可以应用于LED灯灯珠与散热翅片或基座连接处散热。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种石墨烯导热硅脂的制备方法，包括如下步骤：
（1）将石墨烯粉体置于65~90℃条件下的真空烘箱中，真空干燥1~2 h，以去除石墨烯中的残余水分以及对石墨烯进行活化，得到活化后的石墨烯粉体；
（2）称取一定质量的空白导热硅脂置于真空搅拌釜中，并真空条件下搅拌1~2 h，搅拌机转速为400~600 r/min，真空度为-0.1 MPa；
（3）称取一定质量比例步骤（1）中制得的活化后的石墨烯粉体，添加比例为1~5%，置于步骤（2）中搅拌好的空白导热硅脂中，并在200~400 r/min转速和真空度为-0.1 Mpa条件下，搅拌1~2 h，使石墨烯粉体和导热硅脂初步混合均匀，得到石墨烯导热硅脂前驱体；
（4）将步骤（3）中初步混合均匀的石墨烯导热硅脂前驱体置于温度为120~180℃，真空度为-0.1Mpa的恒温真空烘箱中，加热1~2h，对石墨烯导热硅脂前躯体进行熟化处理；
（5）将步骤（4）中熟化处理之后的石墨烯导热硅脂前驱体置于真空度为-0.1Mpa的真空搅拌机中以800~1500r/min的转速持续搅拌12~48h，即可得到搅拌均匀且稳定分散的石墨烯导热硅脂。
2.如权利要求1所述的石墨烯导热硅脂的制备方法，其特征在于：导热硅脂选择为卡夫特K-5211导热硅脂。
3.一种石墨烯导热硅脂，其特征在于：所述石墨烯导热硅脂采用权利要求1或2所述的方法制备得到。
4.如权利要求3所述的石墨烯导热硅脂在航空航天以及电子电气领域的应用。
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