CN109455702A - 一种石墨烯发热薄膜的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯发热薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石墨烯技术领域,具体涉及一种石墨烯发热薄膜的制备方法,具体步骤为:将石墨原料、分散剂按照一定质量比混合分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料;向石墨烯浆料内加入适量的粘结剂,通过胶体磨胶磨分散配制成石墨烯发热膜浆料;将配制好的发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内中低温烘干一定时间;取出置于平压机上逐级增压多次辊压;最后将发热膜放于烘干箱中低温烘干进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。本发明整体的工艺流程简单,成本低,耗能低,适用于规模化生产。

Description

一种石墨烯发热薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯技术领域,具体涉及一种石墨烯发热薄膜的制备方法。
背景技术
石墨烯是碳原子以SP2杂化形成具有蜂窝状六角平面结构的二维材料,单层石墨烯厚度只有0.335nm,具有较高的热导率(可达5300W·m-1·K-1)、较高的比表面积(可达2630m2·g-1)、较高的硬度和透光率,室温下的电子迁移率高达15000cm2·V-1·s-1,并且石墨烯材料柔软可弯曲等特性,使石墨烯的应用及新产品的研发备受人们的关注,如储能材料、高分子复合材料、航空航天、生物医学、电子材料等领域。
目前,具有清洁能源、热转换效率高、铺装设计方便等显著优点的电加热技术在社会生产中已得到广泛的应用。传统的电加热技术导热性能差,导热效率低,电热转换率低,已无法满足人们日益增长的需求。针对传统的电加热技术的这些缺点,发展高导热性、高电热转换率、高耐热稳定性的电加热技术正成为未来发展的必然趋势。
石墨烯的导热系数高达5300W/m·K,电子迁移率超过15000cm2/V·S,电阻率约为10-6Ω·cm,热阻只有6~10Ω·cm,且重量轻便于切割剪裁,是目前世上电阻率最小的材料,并且石墨烯的二维平面结构使其比零维或一维导电材料在基体中更易构成导电网络。由于上述这些优异的性能,使石墨烯在电加热领域展现了良好的应用前景。目前,虽然已公开了一些石墨烯发热膜的制备方法,但是存在工艺复杂、高能耗、导热系数低的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术中所存在的现有常用石墨烯薄膜制备工艺复杂、发热效率低的缺点,本发明提供一种石墨烯发热薄膜的新型制备方法。
本发明的具体技术方案如下:
一种石墨烯发热薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将石墨原料、分散剂混合分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料;
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料,加入粘结剂,通过胶体磨胶磨分散配制成石墨烯发热膜浆料;
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内烘干;
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上逐级增压多次辊压;
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱烘干进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
在上述现有技术的基础上,还可增加以下技术特征进行进一步限定:
石墨原料选自天然鳞片石墨、膨胀石墨、热裂解石墨、蠕虫状石墨粉中的一种或几种。
分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮、涂易乐DS-172研磨分散剂、润湿超分散剂F412、聚苯乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的一种或几种。
粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、海藻酸钠、明胶中的一种或几种。
在上述步骤中,石墨原料、分散剂、去离子水、粘结剂是按照质量比20~120:1~10:100~3000:0~20添加的。
平压机逐级增压多次辊压的工作压力为5~30MPa,压制次数为2~10次。
烘干箱内工作温度为50℃以下,工作时间为30~120min。
在步骤(2)中,粘合剂的浓度为2%~5%。
与现有方法相比,本发明具有以下优点:
1.本发明实现了使用廉价的多种规格石墨为原料,使得该方法适用于工业化生产且有效地降低工业化生产的成本。
2.本发明选用水相作为溶剂,有效的避免实验种对环境的污染,降低了后期对样品进行处理的难度。
3.本发明选择直接使用制备得到的石墨烯浆料为石墨烯发热膜前驱体,有效避免进行多次干燥使得石墨烯发生不可逆团聚,提升石墨烯与粘结剂的分散性,使得发热膜发热均匀。
4.本发明选择胶体磨作为前期制备石墨烯浆料和后期预分散设备,效率高,分散效果好,设备统一,成本低,尤其适合批量生产。
5.本发明通过后期抽滤、分两步烘干的工艺,减少助剂使用种类和用量,降低后处理所需温度,避免了助剂对发热膜发热性能的影响。
6.本发明选择中低温的条件下烘干,减少烘干过程中水分蒸发时对石墨烯发热膜结构产生不可逆破坏。
7.本发明采用逐级增压多次辊压的方式进行辊压,使石墨烯发热膜厚度可控,且发热膜均匀致密,气泡少。
8.本发明采用直接辊压,无需载体,石墨烯发热膜厚度仅为0.02~50μm,性能稳定,应用范围广,体积电阻率为0.01Ω·cm~5Ω·cm,发热效率高。
9.本发明整体的工艺流程简单,成本低,耗能低。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明。
本发明是将石墨原料、分散剂按照一定质量比混合分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料;向石墨烯浆料内加入适量的粘结剂,通过胶体磨胶磨分散配制成石墨烯发热膜浆料;将配制好的发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内中低温烘干一定时间;取出置于平压机上逐级增压多次辊压;最后将发热膜放于烘干箱中低温烘干进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。具体实施例如下:
实例1
(1)将蠕虫状石墨粉和聚乙烯吡咯烷酮分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料,其中蠕虫石墨、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水的质量比为60:3:2000。
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料100mL,加入浓度为5%的聚乙烯醇200ml,通过胶体磨胶磨分散均匀配制成石墨烯发热膜浆料。
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内45℃烘干60min。
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上分5MPa、10MPa和15MPa逐级增压3次辊压。
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱中45℃烘干60min,进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
经过测试,实施例1中制得的石墨烯发热膜的厚度为1.7μm,体积电阻率为0.8Ω·cm。
实例2
(1)将蠕虫状石墨粉和涂易乐DS-172分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料,其中蠕虫石墨、涂易乐DS-172和去离子水的质量比为60:3:2000。
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料100mL,加入浓度为5%的聚乙烯二醇200ml,通过胶体磨胶磨分散均匀配制成石墨烯发热膜浆料。
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内40℃烘干70min。
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上分10MPa、15MPa和20MPa逐级增压3次辊压。
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱中40℃烘干70min,进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
经过测试,实施例2中制得的石墨烯发热膜的厚度为1.4μm,体积电阻率为0.02Ω·cm。
实例3
(1)将蠕虫状石墨粉与F412分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料,其中蠕虫石墨、F412和去离子水的质量比为20:1:500。
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料100mL,加入浓度为5%的聚乙烯醇400ml,通过胶体磨胶磨分散均匀配制成石墨烯发热膜浆料。
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内40℃烘干75min。
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上分5MPa、15MPa和25MPa逐级增压3次辊压。
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱中40℃烘干75min,进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
经过测试,实施例3中制得的发热膜的厚度为0.92μm,体积电阻率为3Ω·cm。
实例4
(1)将蠕虫状石墨粉与聚乙烯吡咯烷酮分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料,其中蠕虫石墨、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水的质量比为40:3:1000。
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料100mL,加入浓度为2%的聚乙烯醇160ml,通过胶体磨胶磨分散均匀配制成石墨烯发热膜浆料。
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内45℃烘干100min。
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上分5MPa、15MPa和25MPa逐级增压3次辊压。
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱中45℃烘干100min,进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
经过测试,实施例4中制得的发热膜的厚度为1.24μm,体积电阻率为0.5Ω·cm。
实例5
(1)将蠕虫状石墨粉与聚乙烯吡咯烷酮分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料,其中蠕虫石墨、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水的质量比为9:1:300。
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料100mL,加入浓度为3%的聚乙烯醇120ml,通过胶体磨胶磨分散均匀配制成石墨烯发热膜浆料。
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内45℃烘干100min。
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上分10MPa、20MPa和30MPa逐级增压3次辊压。
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱中45℃烘干100min,进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
经过测试,实施例5中制得的发热膜的厚度为0.36μm,体积电阻率为0.1Ω·cm。

Claims (8)

1.一种石墨烯发热薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将石墨原料、分散剂混合分散在去离子水中,经过胶体磨胶磨后得到石墨烯浆料;
(2)取步骤(1)中的石墨烯浆料,加入粘结剂,通过胶体磨胶磨分散配制成石墨烯发热膜浆料;
(3)将配制好的石墨烯发热膜浆料真空抽滤,然后放于烘干箱内烘干;
(4)取出石墨烯发热膜置于平压机上逐级增压多次辊压;
(5)最后将石墨烯发热膜放于烘干箱烘干进行最终的定型和干燥,得到石墨烯发热膜成品。
2.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:所述石墨原料选自天然鳞片石墨、膨胀石墨、热裂解石墨、蠕虫状石墨粉中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:分散剂选自聚乙烯吡咯烷酮、涂易乐DS-172研磨分散剂、润湿超分散剂F412、聚苯乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、海藻酸钠、明胶中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:所述石墨原料、分散剂、去离子水、粘结剂的添加比例为按照质量比20~120:1~10:100~3000:0~20。
6.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:所述平压机逐级增压多次辊压的工作压力为5~30MPa,压制次数为2~10次。
7.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:所述烘干箱内工作温度为50℃以下,工作时间为30~120min。
8.根据权利要求1所述的石墨烯发热薄膜的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述粘合剂的浓度为2%~5%。
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