CN109748270A - 一种复合石墨薄片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合石墨薄片，包括：一石墨薄膜，该石墨薄膜为经碳化及石墨化的一聚酰亚胺薄膜；其中，该聚酰亚胺薄膜包含一聚酰亚胺及一石墨颗粒，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为20：80至30：70。本发明实施例提供的复合石墨薄片及其制备方法，由于聚酰亚胺膜包含了石墨颗粒，因而可降低加热过程中发生的聚酰亚胺膜体积收缩。

Description

一种复合石墨薄片

技术领域

本发明涉及一种石墨制品的制备方法，特别是涉及一种复合石墨薄片及其制备方法。

背景技术

复合石墨薄片是一种具有高热传导性的高分子材料，通常在制造印刷电路板时使用复合石墨薄片作为材料，协助传导及排出电路板在使用时所产生的热量。

由于印刷电路板是现在各式电子产品中的重要组件，因此，复合石墨薄片已成为制造各式电子产品时不可或缺的材料。

然而，目前传统的制备方法在制备复合石墨薄片时，极易发生卷曲或者碎裂。如此一来，制得的复合石墨薄片成品表面分布有大小不一的皱褶。表面不平整的复合石墨薄片在使用上存在有无法充分贴合于电子元器件表面，进而造成散热效果不理想的问题。

因此，如何开发一种复合石墨薄片，以解决现有技术中复合石墨薄片表面在制备过程中产生皱折且容易碎裂的问题，就成为了研究人员需要解决的问题。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种可保证复合石墨薄片的表面平整且不易碎裂的复合石墨薄片及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明实施例一个方面提供一种复合石墨薄片的制备方法，包括以下步骤：

形成混合有一石墨颗粒的一聚酰亚胺膜；

加热碳化混合有该石墨颗粒的该聚酰亚胺膜形成一碳化聚酰亚胺膜；

以及以高于碳化温度的一石墨化温度加热石墨化该碳化聚酰亚胺膜形成一复合石墨薄片；

其中，在混合有该石墨颗粒的该聚酰亚胺膜中包含该石墨颗粒与一聚酰亚胺，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为20：80至30：70。

作为优选，其中形成混合有该石墨颗粒的该聚酰亚胺膜，包括：

将该石墨颗粒加入一极性溶剂中并混合均匀；

将一二胺溶解于混合有该石墨颗粒的该极性溶剂中形成混合有该石墨颗粒的一二胺溶液；

将一二酐加入混合有该石墨颗粒的该二胺溶液中形成混合有该石墨颗粒的一聚酰胺酸溶液；

加热干燥混合有该石墨颗粒的该聚酰胺酸溶液形成混合有该石墨颗粒的一聚酰胺酸膜；

以及将混合有该石墨颗粒的该聚酰胺酸膜进行一亚酰胺化反应形成混合有该石墨颗粒的该聚酰亚胺膜。

作为优选，其中该二胺选自对苯二胺、间苯二胺、4,4'-二胺基二苯醚、 3,4'-二胺基二苯醚、4,4'-二胺基二苯烷、二对苯二胺，二胺基二苯酮、二胺二苯基砜、二萘二胺、二胺基二苯硫醚、1,3-二(3-胺基酚氧基)苯、1,4-二(4- 胺基酚氧基)苯、1,3-二(4-胺基酚氧基)苯、2,2'-二[4-(4-胺基酚氧基)苯基]丙烷、 4,4'-二(4-胺基酚氧基)联苯、4,4'-二(3-胺基酚氧基)联苯、1,3-二丙胺基-1,1',3,3'- 四甲基二硅氧烷、1,3-二丙胺基-1,1',3,3'-四苯基二硅氧烷、1,3-二丙胺基-1,1'- 二甲基-3,3'-二苯基二硅氧烷中的一种或多种中的一种或多种。

作为优选，其中该二酐选自1,2,4,5-苯四甲酸二酐、联苯四羧酸二酐、二苯醚四酸二酐、二苯酮四羧酸二酐、二苯基砜四羧酸二酐、萘基四酸二酐、萘二酸酐、二-(3,4-苯二甲酸酐)二甲基硅烷、1,3-二(3，4-二羧基苯基)-1,1',3,3' 一四甲基二硅氧烷二酐中的一种或多种。

作为优选，其中在混合有该石墨颗粒的该聚酰亚胺膜中包含该石墨颗粒与一聚酰亚胺，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为26：74至30：70。

作为优选，其中该石墨颗粒包含石墨或石墨烯。

作为优选，其中该碳化温度为1600～2200℃，该石墨化温度为 2800～3200℃。

本发明实施例另一个方面提供一种复合石墨薄片，包括：一石墨薄膜，该石墨薄膜为经碳化及石墨化的一聚酰亚胺薄膜；其中，该聚酰亚胺薄膜包含一聚酰亚胺及一石墨颗粒，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为20：80 至30：70。

作为优选，其中在该聚酰亚胺薄膜中，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为26：74至30：70。

作为优选，其中该石墨颗粒包含石墨或石墨烯。

根据上述本发明所揭露的复合石墨薄片及其制备方法，由于聚酰亚胺膜包含了石墨颗粒，因而可降低加热过程中发生的聚酰亚胺膜体积收缩。如此一来，由聚酰亚胺膜加热碳化与石墨化制得的复合石墨薄片可保持平整，解决了先前技术中复合石墨薄片的皱折在使用时产生的问题。

与现有技术比较，本发明实施例提供的复合石墨薄片及其制备方法，由于聚酰亚胺膜包含了石墨颗粒，因而可降低加热过程中发生的聚酰亚胺膜体积收缩。如此一来，由聚酰亚胺膜加热碳化与石墨化制得的复合石墨薄片可保持平整。

具体实施方式

以下对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

在本申请具体实施方式中，复合石墨薄片包含石墨薄膜。石墨薄膜由聚酰亚胺薄膜进行碳化及石墨化后所得到。聚酰亚胺薄膜包含聚酰亚胺及石墨颗粒。石墨颗粒均匀分布于聚酰亚胺中，石墨颗粒与聚酰亚胺的重量比为20： 80至30：70，优选为26：74至30：70。聚酰亚胺具体地由二胺与二酐反应生成聚酰胺酸后，再利用加热的方式使聚酰胺酸发生亚酰胺化(imidization) 反应而得到。石墨颗粒包含石墨或石墨烯。在本发明的其他实施例中，石墨颗粒还可以为其他具有高含碳量的材料。在聚酰亚胺薄膜碳化及石墨化的过程中，由于碳化温度高达1600～2200℃，石墨化温度为2800～3200℃，聚酰亚胺薄膜中部分碳、氢、氧及氮受热挥发，最后几乎只留下碳。因此，聚酰亚胺薄膜碳化及石墨化后所形成的石墨薄膜的厚度小于碳化及石墨化前的聚酰亚胺薄膜的厚度。

接下来介绍本发明实施例提出的复合石墨薄片的制作方法：首先，将石墨颗粒加入极性溶剂中并混合均匀(S101)。

详细来说，将石墨颗粒加入极性溶剂中。石墨颗粒与聚酰亚胺的重量比为20：80至30：70，优选为26：74至30：70。极性溶剂可以为二甲基甲酰胺(N,N-Dimethyl formamide，DMF)、二甲基乙酰胺(Dimethylacetamide， DMAc)、二甲基亚砜(Dimethyl sulfoxide，DMSO)、N-甲基吡咯烷酮 (N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)、γ-丁内酯(gamma-Butyrolactone，GBL)中的一种或多种。石墨颗粒包含石墨或石墨烯。在本发明的其他实施例中，石墨颗粒还可以为其他具有高含碳量的材料。

为了使石墨颗粒与溶剂混合均匀，并且减少所需的混合时间，可以快速搅拌溶剂，加速石墨颗粒分散于溶剂中。此外，也可以通过研磨的方法来加速石墨颗粒分散于溶剂中。

接着，将二胺溶解于混合有石墨颗粒的极性溶剂中形成混合有石墨颗粒的二胺溶液(S102)。

具体地，将二胺加入混合有石墨颗粒的极性溶剂中，并通过搅拌或研磨制程，使二胺溶解于极性溶剂中形成二胺溶液，而石墨颗粒则均匀分散于二胺溶液中。二胺选自对苯二胺(1,4-diamino benzene)、间苯二胺(1,3-diamino benzene)、4,4'-二胺基二苯醚(4,4'-oxydianiline)、3,4'-二胺基二苯醚 (3,4'-oxydianiline)、4,4'-二胺基二苯烷(4,4'-methylene dianiline)、二对苯二胺 (N,N-Diphenylethylenediamine)，二胺基二苯酮(diaminobenzophenone)、二胺二苯基砜(diaminodiphenyl sulfone)、二萘二胺(1,5-naphthalene diamine)、二胺基二苯硫醚(4,4'-diaminodiphenyl sulfide)、1,3-二(3-胺基酚氧基)苯 (1,3-Bis(3-aminophenoxy)benzene)、1,4-二(4-胺基酚氧基)苯 (1,4-Bis(4-aminophenoxy)benzene)、1,3-二(4-胺基酚氧基)苯 (1,3-Bis(4-aminophenoxy)benzene)、2,2'-二[4-(4-胺基酚氧基)苯基]丙烷 (2,2'-Bis[4-(4-aminophenoxy)phenyl]propane)、4,4'-二(4-胺基酚氧基)联苯 (4,4'-bis-(4-aminophenoxy)biphenyl)、4,4'-二(3-胺基酚氧基)联苯 (4,4'-bis-(3-aminophenoxy)biphenyl)、1,3-二丙胺基-1,1',3,3'-四甲基二硅氧烷 (1,3-Bis(3-aminopropyl)-1,1',3,3'-tetramethyldisiloxane)、1,3-二丙胺基-1,1',3,3'- 四苯基二硅氧烷(1,3-Bis(3-aminopropyl)-1,1',3,3'-tetraphenyldisiloxane)、1,3-二丙胺基-1,1'-二甲基-3,3'-二苯基二硅氧烷 (1,3-Bis(aminopropyl)-dimethyldiphenyldisiloxane)中的一种或多种。

接着，将二酐加入混合有石墨颗粒的二胺溶液中形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液(103)。

具体地，将二酐加入混合有石墨颗粒的二胺溶液中，使二酐与二胺溶液中的二胺反应生成聚酰胺酸溶液，而石墨颗粒则均匀分散于聚酰胺酸溶液中。加入二胺溶液中的二酐摩尔数与二胺溶液中的二胺摩尔数的比例为1.98：2 至2.05：2。二酐选自1,2,4,5-苯四甲酸二酐(1,2,4,5-Benzenetetracarboxylic dianhydride)、联苯四羧酸二酐(3,3',4,4'-Biphenyltetracarboxylic dianhydride)、二苯醚四酸二酐(4,4'-Oxydiphthalicanhydride)、二苯酮四羧酸二酐 (Benzophenonetetracarboxylicdianhydride)、二苯基砜四羧酸二酐 (3,3',4,4'-diphenyl sulfonetetracarboxylic dianhydride)、萘基四酸二酐 (1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic dianhydride)、萘二酸酐(Naphthalenetetracarboxylic Dianhydride)、二-(3,4-苯二甲酸酐)二甲基硅烷 (bis(3,4-dicarboxypheny1)dimethylsilane dianhydride)、1,3-二(3，4-二羧基苯基)-1,1',3,3'一四甲基二硅氧烷二酐(1,3-bis(4'-phthalic anhydride)-tetramethyldisiloxane)中的一种或多种。此时，混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液的黏度为100泊(poise，ps)至1000泊(即为10,000cps至 100,000cps)。

值得注意的是，本实施例中形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜的步骤为在极性溶液中依序加入石墨颗粒、二胺及二酐以形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液。在本发明的其他实施例中，将石墨颗粒、二胺及二酐加入极性溶液中的顺序是可调整的。在本发明的部分实施例中，石墨颗粒于二胺溶解于极性溶剂形成二胺溶液后再加入二胺溶液中。在本发明另一部分的实施例中，石墨颗粒是与二胺一同加入极性溶剂中形成二胺溶液。另在本发明的再一部分实施例中，石墨颗粒于二酐加入二胺溶液中形成聚酰胺酸溶液后，再加入聚酰胺酸溶液中。在本发明再一部分实施例中，石墨颗粒与二酐一同加入二胺溶液中形成聚酰胺酸溶液。在本发明再一部分实施例中，石墨颗粒于二酐溶解于极性溶剂形成二酐溶液后再加入二酐溶液中。在本发明部分实施例中，石墨颗粒系与二酐一同加入极性溶剂中形成二酐溶液。在本发明部分实施例中，石墨颗粒系于二胺加入二酐溶液中形成聚酰胺酸溶液后，再加入聚酰胺酸溶液中。在本发明部分实施例中，石墨颗粒与二胺一同加入二酐溶液中形成聚酰胺酸溶液。

然后，加热干燥混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜(S104)。

具体地，将混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液涂布于一基材上，接着将涂布混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液的基材放置于220℃至400℃的高温环境中进行加热干燥。如此一来，混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液中的溶剂受热气化而离开混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液，并且使混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液中未被气化的聚酰胺酸形成聚酰胺酸膜，而未被气化的石墨颗粒则均匀分布于聚酰胺酸膜中。待混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液中的溶剂均受热气化后，将混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜剥离基材，得到混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜。加热干燥的温度可匹配于溶剂的沸点。在本发明部分实施例中，干燥的温度为220℃至400℃。

然后，将混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜进行亚酰胺化反应形成混合有石墨颗粒的聚酰亚胺膜(S105)。

具体地，亚酰胺化(imidization)反应可以是以高于加热干燥的温度(250℃ -450℃)对混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜进行加热，使聚酰胺酸模中的聚酰胺酸脱水及死循环而形成聚酰亚胺膜。亚酰胺化反应可以是在聚酰胺酸中加入脱水剂(例如：酸酐)或催化剂(聚合物钳闭型催化剂)使聚酰胺酸模中的聚酰胺酸脱水及死循环(化学环化法)而形成聚酰亚胺膜。完成亚酰胺化后，石墨颗粒均匀分布于聚酰亚胺膜中。其中，加热温度越高，聚酰胺酸膜进行亚酰胺化(imidization)反应生成聚酰亚胺膜所需的时间越短。然而，若是反应的温度过高，则可能会破坏聚酰亚胺分子内的原子之间的化学键，使得聚酰亚胺因为高温而降解(degradation)。在本发明部分实施例中，加热使聚酰胺酸膜进行亚酰胺化反应的温度为270℃至450℃，但并不以此为限。

接着，以碳化温度加热碳化混合有石墨颗粒的聚酰亚胺膜形成碳化聚酰亚胺膜(S106)。

详细来说，将混合有石墨颗粒的聚酰亚胺膜置于低压环境下、氮气气氛中或是惰性气体气氛中，以1600～2200℃的碳化温度进行加热处理，使聚酰亚胺膜表面的聚酰亚胺开始碳化而得到碳化聚酰亚胺膜。举例来说，可将混合有石墨颗粒的聚酰亚胺膜置入内部压力低于一大气压的加热腔室中进行加热碳化，或者是将混合有石墨颗粒的聚酰亚胺薄膜置入填充有氮气的加热腔室中进行加热碳化。

最后，以高于碳化温度的石墨化温度加热石墨化碳化聚酰亚胺膜形成复合石墨薄片(S107)。

详细来说，将碳化聚酰亚胺膜置于低压环境下、或是惰性气体气氛中，以2800～3200℃的石墨化温度进行加热处理，使碳化聚酰亚胺膜表面的碳化聚酰亚胺开始石墨化而得到石墨薄膜，完成复合石墨薄片的制备。举例来说，可将碳化聚酰亚胺膜置入填充有氩气或是氦气的加热腔室中进行加热石墨化以得到复合石墨薄片。

由于聚酰亚胺膜包含了石墨颗粒，使得聚酰亚胺膜在进行加热碳化以及加热石墨化的过程中，聚酰亚胺膜的体积收缩量下降，减少聚酰亚胺膜在加热过程中因体积过度收缩所造成龟裂的状况。如此一来，由包含石墨颗粒的聚酰亚胺膜进行加热碳化与石墨化制得的复合石墨薄片可保持平整。

以下通过多个实施例及比较例说明本发明公开的复合石墨薄片及其制备方法，并且进行实验测试以比较其性质差异。

实施例1

首先，将9.6克石墨颗粒加入850克二甲基乙酰胺(DMAc)中并搅拌1小时，使石墨颗粒与DMAc混合均匀。

接着，将71.8克4,4'-二胺基二苯醚(ODA)加入混合有石墨颗粒的DMAc 中并搅拌1小时，使ODA溶解于混合有石墨颗粒的DMAc中形成混合有石墨颗粒的二胺溶液。

接着，将78.2克1,2,4,5-苯四甲酸二酐(PMDA)缓缓加入混合有碳黑的二胺液中并在室温下搅拌6小时，使PMDA与ODA反应形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液。

接着，将混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液涂布于附加电路板上，并以 120℃加热干燥混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液10分钟，在附加电路板上形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜，并且将混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜自附加电路板剥离。

接着，以600℃加热混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜20分钟，使混合有石墨颗粒的聚酰胺酸膜进行亚酰胺化反应，形成混合有石墨颗粒的聚酰亚胺膜。

接着，于填充有氮气气氛的加热腔体中以1600℃的碳化温度加热碳化混合有石墨颗粒的聚酰亚胺膜60分钟，形成碳化聚酰亚胺膜。

最后，于填充有氩气气氛的加热腔体中以2900℃的石墨化温度加热石墨化碳化聚酰亚胺膜30分钟，形成复合石墨薄片。

实施例2

首先，将37.5克石墨颗粒加入850克二甲基乙酰胺(DMAc)中并搅拌1 小时，使石墨颗粒与DMAc混合均匀。

接着，将71.8克ODA加入混合有石墨颗粒的DMAc中并搅拌1小时，使ODA溶解于混合有石墨颗粒的DMAc中形成混合有石墨颗粒的二胺溶液。

接着，将78.2克1,2,4,5-苯四甲酸二酐(PMDA)缓缓加入混合有石墨颗粒的二胺溶液中并在室温下搅拌6小时，使PMDA与ODA反应形成混合有石墨颗粒的聚酰胺酸溶液。

接下来的干燥成膜、亚酰胺化、加热碳化以及加热石墨化与实施例一相似，在此便不再赘述。

比较例一

首先，将71.8克ODA加入850克DMAc中并搅拌1小时，使ODA溶解于DMAc中形成二胺溶液。

接着，将78.2克PMDA缓缓加入二胺溶液中并在室温下搅拌6小时，使PMDA与ODA反应形成聚酰胺酸溶液。

接下来的干燥成膜、亚酰胺化、加热碳化以及加热石墨化与实施例一相似，在此便不再赘述。

比较例2

首先，将36.5克ODA以及19.8克PPDA加入850克DMAc中并搅拌1 小时，使ODA及PPDA溶解于DMAc中形成二胺溶液。

接着，将39.8克PMDA以及53.8克BPDA缓缓加入二胺溶液中并在室温下搅拌6小时，使PMDA及BPDA与ODA及PPDA反应形成聚酰胺酸溶液。

接下来的干燥成膜、亚酰胺化、加热碳化以及加热石墨化与实施例一相似，在此便不再赘述。

请参阅表1，表1为本发明两个实施例及两个比较例的复合石墨薄片成分组成及其相关量测结果。表1

依照实施例1与实施例2的成分比例制成的复合石墨薄片，表面呈现平整且无皱褶的表面型态，因此在使用上可充分贴合于电子电路组件表面，提供优良的散热效果。

比较例1与比较例2的复合石墨薄片，由于未添加石墨颗粒于聚酰亚胺膜中，因此复合石墨薄片的表面呈现不平整且有皱褶的表面型态，甚至在复合石墨薄片的表面出现龟裂。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合石墨薄片，包括：一石墨薄膜，该石墨薄膜为经碳化及石墨化的一聚酰亚胺薄膜；其中，该聚酰亚胺薄膜包含一聚酰亚胺及一石墨颗粒，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为20：80至30：70。

2.如权利要求1所述的复合石墨薄片，其特征在于，其中在该聚酰亚胺薄膜中，该石墨颗粒与该聚酰亚胺的重量比为26：74至30：70。

3.如权利要求1所述的复合石墨薄片，其特征在于，该石墨颗粒包含石墨或石墨烯。