CN109181301B - 一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜及制备方法 - Google Patents

一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，该导热复合膜包括以下重量百分比组分：氮化硼量子点1～5wt％，功能化氮化硼5～50wt％，聚合物基体50～95wt％。本发明还公开了一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜制备方法。本发明掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜制备方法，工艺合理，反应条件温和，有利于生产的控制和推广，易于产业化。制备的复合膜，其功能化的氮化硼降低了纳米片的表面极性，有利于减少氮化硼的团聚现象。氮化硼量子点作为氮化硼片层之间的填充粒子，使得片层之间的联系更加密切，使得氮化硼聚合物复合材料形成了完整、高效的导热网络，从而提高复合材料的导热性能。具有优异的力学性能、一定的透明度和耐弯曲性。

Description

一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜及制备方法
技术领域
本发明属于导热复合材料领域，具体涉及一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜及制备方法。
背景技术
随着电子设备向小型化、高集成化、高功率化的快速发展，元器件产生的强热会产生热失效，性能下降，寿命缩短等问题，使得汽车、照明、电子电气以及航空航天等领域的散热问题日益严重。聚合物材料例如聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯等由于具有比传统导热材料更加优异的功能，如高强度、质轻、易加工、耐腐蚀、电绝缘性好等，受到了极大的关注。但是，聚合物材料的导热率普遍较低，使得其在导热领域的应用受到了很大的限制，因此，在聚合物中添加导热填料成为解决这一问题的关键。氮化硼由于本身高的导热率(3000W·m-1k-1)以及优异的机械性能和电绝缘性成为导热填料中炙手可热的一份子。
量子点，例如碳量子点和石墨烯量子点，具有良好的化学稳定性、对目标物的高灵敏度和选择性、低毒性、良好的生物相容性和光致发光稳定性等独特的物理化学性质，在光催化剂、传感器、能量转换、生物成像、生物标记和药物释放等领域有着广泛的应用前景。氮化硼量子点(BNQDs)由于其独特的结构以及迷人的物理和化学性质，加入到氮化硼纳米片聚合物体系中，能够填充填料与基体之间的空隙，进一步完善导热网络。
中国专利申请公开号为CN105462069A，“一种功能化氮化硼纳米片/聚丙烯复合材料及其制备方法”，该方法通过功能化改性降低了氮化硼纳米片的表面能，从而提高氮化硼纳米片在聚丙烯树脂基体中的分散程度而减少团聚现象，并且通过降低两相界面张力来进一步提高其复合材料的相容性和结合力。但是此方法操作复杂，后续处理繁琐，对设备的要求较高，限制了其生产应用。中国专利申请公开号为CN106589365A，“一种石墨烯-氮化硼复合材料、应用及其制备方法”，该方法将氮化硼片层插入到石墨烯片层之间并用聚多巴胺作为一种交联剂，提高了复合材料的导热性能。但是该方法的制备工艺相对复杂，涉及到的原材料繁多，且没有基体材料在力学性能方面略显不足，限制了其生产应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜及制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，该导热复合膜包括以下重量百分比组分：
氮化硼量子点 1～5wt％,
功能化氮化硼 5～50wt％，
聚合物基体 50～95wt％；
以上各组成的重量百分比含量之和为100wt％
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，功能化氮化硼的粒径为50-200nm，氮化硼量子点的粒径为2-50nm。
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，聚合物基体为聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种或多种混合。
一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)功能化氮化硼的制备：将h-BN与尿素按照质量比为1:20进行砂磨，研磨2-10h；过滤之后将所得的氮化硼粉末分散到20～100ml的二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散10～24小时得到氮化硼纳米片分散液；最后将氮化硼纳米片分散液进行溶剂热反应，在100-200℃下反应12-36小时，下层分散液即为功能化氮化硼分散液；
(2)氮化硼量子点的制备：取步骤(1)溶液热后的上层溶液，以2000～5000rpm转速下离心20～40分钟；最后将离心后的溶液过滤得到氮化硼量子点溶液；
(3)将聚合物基体加入到二甲基甲酰胺或去离子水中，在80-100℃下搅拌1-5h，配制质量分数为5～10wt％的聚合物基体溶液；
(4)将步骤(1)得到的功能化氮化硼纳米片分散液、步骤(2)得到的氮化硼量子点与步骤(3)得到的聚合物溶液按照一定的质量比进行混合，常温下搅拌0.5-2h，之后进行超声0.5-2h，得到氮化硼量子点/功能化氮化硼聚合物混合液；
(5)将步骤(4)得到的氮化硼量子点/功能化氮化硼聚合物混合液置于真空烘箱中，常温下抽真空脱气，10-30min后取出混合液，将其倒入模具中，并置于烘箱中，在40-70℃真空干燥10～48h，即可得到掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜。
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的制备方法，功能化氮化硼的粒径为50-200nm，氮化硼量子点的粒径为2-50nm。
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的制备方法，聚合物基体为聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种或多种混合。
本发明的有益效果为：
1、本发明掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜制备方法，工艺合理，反应条件温和，不需要昂贵的设备，有利于生产的控制和推广，易于产业化。
2、本发明掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其功能化的氮化硼降低了纳米片的表面极性，有利于减少氮化硼的团聚现象。氮化硼量子点作为氮化硼片层之间的填充粒子，使得片层之间的联系更加密切，使得氮化硼聚合物复合材料形成了完整、高效的导热网络，从而提高复合材料的导热性能。同时，该复合膜具有优异的力学性能、一定的透明度和耐弯曲性。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，该导热复合膜包括以下重量百分比组分：
氮化硼量子点 1～5wt％,
功能化氮化硼 5～50wt％，
聚合物基体 50～95wt％；
以上各组成的重量百分比含量之和为100wt％
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，功能化氮化硼的粒径为50-200nm，氮化硼量子点的粒径为2-50nm。
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，聚合物基体为聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种或多种混合。
本实施例提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)功能化氮化硼的制备：将h-BN与尿素按照质量比为1:20进行砂磨，研磨2-10h；过滤之后将所得的氮化硼粉末分散到20～100ml的二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散10～24小时得到氮化硼纳米片分散液；最后将氮化硼纳米片分散液进行溶剂热反应，在100-200℃下反应12-36小时，下层分散液即为功能化氮化硼分散液；
(2)氮化硼量子点的制备：取步骤(1)溶液热后的上层溶液，以2000～5000rpm转速下离心20～40分钟；最后将离心后的溶液过滤得到氮化硼量子点溶液；
(3)将聚合物基体加入到二甲基甲酰胺或去离子水中，在80-100℃下搅拌1-5h，配制质量分数为5～10wt％的聚合物基体溶液；
(4)将步骤(1)得到的功能化氮化硼纳米片分散液、步骤(2)得到的氮化硼量子点与步骤(3)得到的聚合物溶液按照一定的质量比进行混合，常温下搅拌0.5-2h，之后进行超声0.5-2h，得到氮化硼量子点/功能化氮化硼聚合物混合液；
(5)将步骤(4)得到的氮化硼量子点/功能化氮化硼聚合物混合液置于真空烘箱中，常温下抽真空脱气，10-30min后取出混合液，将其倒入模具中，并置于烘箱中，在40-70℃真空干燥10～48h，即可得到掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜。
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，功能化氮化硼的粒径为50-200nm，氮化硼量子点的粒径为2-50nm。
掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，聚合物基体为聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种或多种混合。
实施例2
本实施例提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其与实施例1基本相同，其不同之处在于：复合膜中的氮化硼量子点的质量分数为1％，功能化氮化硼纳米片的质量分数为5％，聚酰亚胺的质量分数为94％。
本实施例掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的制备方法包括以下步骤：
(1)功能化氮化硼的制备：将h-BN与尿素按照质量比为1:20进行砂磨，研磨2h；过滤之后将所得的氮化硼粉末分散到100ml的二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散10小时得到氮化硼纳米片分散液；最后将氮化硼纳米片分散液进行溶剂热反应，在100℃下反应24小时，下层分散液即为功能化氮化硼分散液。
(2)氮化硼量子点的制备：取步骤(1)溶液热后的上层溶液，以2000rpm转速下离心40分钟；最后将离心后的溶液过滤得到氮化硼量子点溶液。
(3)将聚合物基体聚酰亚胺加入到二甲基甲酰胺中，在80℃下搅拌2h，配制质量分数为5wt％的聚合物基体溶液。
(4)将步骤(1)得到的功能化氮化硼纳米片分散液、步骤(2)得到的氮化硼量子点与步骤(3)得到的聚酰亚胺溶液按照一定的质量比进行混合，常温下搅拌0.5h，之后进行超声0.5h，得到氮化硼量子点/功能化氮化硼/聚酰亚胺混合液。
(5)将步骤(4)得到的氮化硼量子点/功能化氮化硼/聚酰亚胺混合液置于真空烘箱中，常温下抽真空脱气，10min后取出混合液，将其倒入模具中，并置于烘箱中，在40℃真空干燥48h，即可得到掺杂量子点功能化氮化硼/聚酰亚胺导热复合膜。
对实施例2制得的掺杂量子点功能化氮化硼/聚酰亚胺导热复合膜的导热率和拉伸强度进行测试，其导热率为2.67W/(m·k)，拉伸强度为60MPa。
实施例3
本实施例提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其与实施例1、2基本相同，其不同之处在于：该实施例中复合膜的氮化硼量子点的质量分数为3％，功能化氮化硼纳米片的质量分数为5％，聚酰亚胺的质量分数为92％。
其制备方法包括以下步骤：
(1)功能化氮化硼的制备：将h-BN与尿素按照质量比为1:20进行砂磨，研磨10h；过滤之后将所得的氮化硼粉末分散到100ml的二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散24小时得到氮化硼纳米片分散液；最后将氮化硼纳米片分散液进行溶剂热反应，在200℃下反应12小时，下层分散液即为功能化氮化硼分散液。
(2)氮化硼量子点的制备：取步骤(1)溶液热后的上层溶液，以5000rpm转速下离心20分钟；最后将离心后的溶液过滤得到氮化硼量子点溶液。
(3)将聚合物基体聚酰亚胺溶于二甲基甲酰胺中，在100℃下搅拌1h，配制质量分数为10wt％的聚合物基体溶液。
(4)将步骤(1)得到的功能化氮化硼纳米片分散液、步骤(2)得到的氮化硼量子点与步骤(3)得到的聚乙烯醇溶液按照一定的质量比进行混合，常温下搅拌2h，之后进行超声2h，得到氮化硼量子点/功能化氮化硼/聚酰亚胺混合液。
(5)将步骤(4)得到的氮化硼量子点/功能化氮化硼/聚酰亚胺混合液置于真空烘箱中，常温下抽真空脱气，30min后取出混合液，将其倒入模具中，并置于烘箱中，在70℃真空干燥10h，即可得到掺杂量子点功能化氮化硼/聚酰亚胺导热复合膜。
对实施例2制得的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的导热率和拉伸强度进行测试，其导热率为5.78W/(m·k)，拉伸强度为61MPa。
实施例4
本实施例提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其与实施例1、2、3基本相同，其不同之处在于：该实施例中复合膜的氮化硼量子点的质量分数为5％，功能化氮化硼纳米片的质量分数为5％，聚乙烯醇的质量分数为90％。
其制备方法包括以下步骤：
(1)功能化氮化硼的制备：将h-BN与尿素按照质量比为1:20进行砂磨，研磨4h；过滤之后将所得的氮化硼粉末分散到100ml的二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散12小时得到氮化硼纳米片分散液；最后将氮化硼纳米片分散液进行溶剂热反应，在150℃下反应24小时，下层分散液即为功能化氮化硼分散液。
(2)氮化硼量子点的制备：取步骤(1)溶液热后的上层溶液，以3000转速下离心40分钟；最后将离心后的溶液过滤得到氮化硼量子点溶液。
(3)将聚合物基体聚乙烯醇加到去离子水中，在95℃下搅拌2h，配制质量分数为5wt％的聚合物基体溶液。
(4)将步骤(1)得到的功能化氮化硼纳米片分散液、步骤(2)得到的氮化硼量子点与步骤(3)得到的聚乙烯醇溶液按照一定的质量比进行混合，常温下搅拌1h，之后进行超声1h，得到氮化硼量子点/功能化氮化硼/聚乙烯醇混合液。
(5)将步骤(4)得到的氮化硼量子点/功能化氮化硼/聚乙烯醇混合液置于真空烘箱中，常温下抽真空脱气，20min后取出混合液，将其倒入模具中，并置于烘箱中，在60℃真空干燥24h，即可得到掺杂量子点功能化氮化硼/聚乙烯醇导热复合膜。
对实施例4制得的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜的导热率和拉伸强度进行测试，其导热率为6.29W/(m·k)，拉伸强度为52MPa。
本发明提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜制备方法，工艺合理，反应条件温和，不需要昂贵的设备，有利于生产的控制和推广，易于产业化。
本发明提供的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其功能化的氮化硼降低了纳米片的表面极性，有利于减少氮化硼的团聚现象。氮化硼量子点作为氮化硼片层之间的填充粒子，使得片层之间的联系更加密切，使得氮化硼聚合物复合材料形成了完整、高效的导热网络，从而提高复合材料的导热性能。同时，该复合膜具有优异的力学性能、一定的透明度和耐弯曲性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其特征在于，该导热复合膜包括以下重量百分比组分：
氮化硼量子点 1~5wt%
功能化氮化硼 5~50wt%
聚合物基体 50~95wt%
以上各组成的重量百分比含量之和为100wt%；
该掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，采用如下的步骤制备：
（1）功能化氮化硼的制备：将h-BN与尿素按照质量比为1:20进行砂磨，研磨2-10h；过滤之后将所得的氮化硼粉末分散到20~100ml的二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散10~24小时得到氮化硼纳米片分散液；最后将氮化硼纳米片分散液进行溶剂热反应，在100-200℃下反应12-36小时，下层分散液即为功能化氮化硼分散液；
（2）氮化硼量子点的制备：取步骤（1）溶液热后的上层溶液，以2000~5000rpm转速下离心20~40分钟；最后将离心后的溶液过滤得到氮化硼量子点溶液；（3）将聚合物基体加入到二甲基甲酰胺或去离子水中，在80-100℃下搅拌1-5h，配制质量分数为5~10wt%的聚合物基体溶液；
（4） 将步骤（1）得到的功能化氮化硼纳米片分散液、步骤（2）得到的氮化硼量子点与步骤（3）得到的聚合物溶液按照一定的质量比进行混合，常温下搅拌0.5-2h，之后进行超声0.5-2h，得到氮化硼量子点/功能化氮化硼聚合物混合液；
（5）将步骤（4）得到的氮化硼量子点/功能化氮化硼聚合物混合液置于真空烘箱中，常温下抽真空脱气，10-30min后取出混合液，将其倒入模具中，并置于烘箱中，在40-70℃真空干燥10~48h，即可得到掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜；
其中，所述功能化氮化硼的粒径为50-200nm；氮化硼量子点的粒径为2-50nm。
2.根据权利要求1所述的掺杂量子点功能化氮化硼聚合物导热复合膜，其特征在于，所述聚合物基体包括聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯中的一种或多种混合。
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