CN110745019A - 一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动车充电器技术领域，尤其涉及一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器。包括充电器本体以及充电器壳体，所述充电器壳体表面交替设有若干凹槽和凸起，所述充电器壳体为石墨烯导热酚醛模塑料制成的一体成型体。其中，石墨烯导热酚醛模塑料以酚醛树脂和具有多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片为主要原料，使得充电器壳体具有优秀的冲击强度和散热性能。

Description

一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器
技术领域
本发明涉及电动车充电器技术领域，尤其涉及一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器。
背景技术
随着环境污染的日益严重，人们的环保意识不断提高，低碳、绿色逐渐成为生活的主流，二轮电动车以其轻便、省力越发成为人们的重要出行工具，电动车简而言之就是以电力为驱动，以电力为能源的车子。因其驱动能量全部来自电池的供给，如果充电器的散热性能较差，会影响充电器的功率密度和充电器工作效率，导致充电器的使用寿命短，因此需要高效稳定、散热性能好的充电器对电动车进行充电。
现有的电动车充电器主要采用强制风冷的方式进行散热，例如申请号为CN201821400854.9的专利文件公开的一种散热性好的电动车充电器，其包括充电器外壳，所述充电器外壳固定有线路板，所述线路板上方设有变压器，所述变压器外围嵌合有散热涂层，所述散热涂层左侧安装有铜管，所述铜管的下方的左侧安装有控制器，所述控制器上方安装有延时断电器，所述铜管的上方的左侧设有小散热风扇，所述充电器外壳的左侧设有左进风口，所述小散热风扇与所述左进风口之间安装有左金属过滤网，所述散热涂层的右侧固定有散热鳍片，所述散热鳍片右侧设有大散热风扇，所述充电器外壳上端安装有上出风口，所述大散热风扇与所述出风口之间设有右金属过滤网，所述充电器外壳正面和背面分别开设有一条滑槽，每条所述滑槽上机械连接有一个自锁滑块，两个所述自锁滑块之间固定有横梁，所述自锁滑块上设有铰链，所述自锁滑块上通过所述铰链连接有支撑架，所述支撑架的底部固定有支撑脚座，所述充电器外壳左侧设有三头插头，所述充电器外壳右侧设有三头插座。
类如这种充电器一般需要加装散热风扇，同时还需要在结构上设计散热孔来加大空气流动带走热量，这就会造成在雨天以及干燥天气，泥浆、水份和粉尘通过散热孔进入充电器的问题，从而引起内部电路短路等故障发生，影响充电设器的稳定性和可靠性。此外，充电器在长期运行过中，风扇扇叶高速旋转还会与空气中的颗粒悬浮物体摩擦产生静电，导致空气中的粉尘吸附在叶片上，经一段时间积累最终导致风扇卡死、堵转的问题，这种情况会将风扇线圈烧坏，导致充电器散热不良引起充电器损坏，进一步降低充电设备的工作稳定性。
发明内容
本发明要解决上述问题，提供一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器。
本发明解决问题的技术方案是，提供一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，包括充电器本体以及充电器壳体，所述充电器壳体表面交替设有若干凹槽和凸起，所述充电器壳体为石墨烯导热酚醛模塑料制成的一体成型体。
其中，所谓一体成型体即为壳体是通过原料一次性全部加工出来的，不是通过其他黏结、焊接等连接方式拼接而成的。这种一体成型体的制备工艺可以是注射成型：其原理是将粒状或粉状的原料加入到注射机的料斗里，原料经加热熔化呈流动状态，在注射机的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，在模具型腔内硬化定型；也可以是模压成型：将原料在已加热到指定温度的模具中加压，使原料熔融流动并均匀地充满模腔，在加热和加压的条件下经过一定的时间，使原料形成制品以及其他常用的成型工艺。
优选地，按照质量份，所述石墨烯导热酚醛模塑料包括酚醛树脂50-85份、边缘氧化石墨烯纳米微片10-30份、偶联剂0.5-2份以及助剂5-10份。
其中，酚醛树脂是由酚类和醛类通过缩聚反应生成的聚合产物，通过进一步的固化反应，可以得到高分子量的聚合物。酚醛树脂具有很好的稳定性、高的耐热性、强的力学性能、残炭率高和发烟少的特点。
石墨烯是目前广泛研究的一种新型碳材料，其结构式由单层片层的碳原子紧密排列组分个，晶格的结构类似于单层二维蜂窝状，具有超大的比表面积，优异的机械性能以及较高的热导率。氧化石墨烯的片层拥有很多含氧基团，例如羟基、羧基以及环氧基等，其使得氧化石墨烯具有与聚合物较好的相容性。而边缘氧化石墨烯纳米微片是指边缘被氧化、层状结构内部保留了石墨原有共轭结构的石墨烯纳米片。
偶联剂是一种能提高树脂与固体表面之间黏合强度与耐久性的一类硅烷，能够改善填料在树脂中的分散性及粘合力，改善工艺性能和提高塑料的机械、耐气候等性能，包括KH550和KH560等。
优选地，所述石墨烯导热酚醛模塑料由以下步骤制备：将酚醛树脂和助剂球磨混合均匀后，再与边缘氧化石墨烯纳米微片、偶联剂混合并搅拌均匀，得到的物料送入双螺杆造粒机，塑化后造粒得到石墨烯导热酚醛模塑料。
优选地，所述助剂包括抗氧剂，所述抗氧剂选自四季戊四醇酯或四双膦酸酯中的一种。
优选地，所述助剂包括硅土粉。
硅土粉是由成岩程度比较高、颗粒极细、含有一定量泥质、钙镁质的硅质岩，经风化淋滤作用，钙镁质被淋失，极细的石英和粘土矿物被保留下来，因而形成有大量微孔的一种硅质岩。它是以隐晶、微晶的α-石英为主，粘土矿物为辅的粉状或块状的硅质、多孔工业矿物集合体。其加入到复合塑料中能够提高复合塑料的韧性、强度、抗老化形、散热性。
优选地，所述边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
（1）将浓硫酸和石墨烯纳米微片混合，冰盐浴冷却至0℃以下；
此为前准备步骤，低温下硫酸的氧化性不高，难以对石墨进行插层反应。
（2）加入高锰酸钾，体系升温至30-40℃，搅拌2-3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
当加入高猛酸钾后，体系的氧化能力得到一定程度的提高，石墨层的边缘首先被氧化，部分碳原子失去电子变成正离子，硫酸氢根离子和具有极性的硫酸分子通过静电力吸附在石墨片层的边缘，这些通过静电力吸附在石墨片层边缘的硫酸根离子和硫酸分子与石墨烯正离子形成硫酸-石墨边缘复合物。随着高锰酸钾的添加，体系温度升高，此时高猛酸钾的强氧化作用使得不充分氧化的硫酸-石墨边缘复合物进一步氧化。
（3）加入去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
残留的浓硫酸与水作用使混合液的温度迅速升高，剩余未氧化的硫酸-石墨边缘复合物发生水解。
（4）将滤饼超声20-40min后，以12000-15000r/min的转速离心3-5min，得黑色粉末于60-80℃下真空干燥18-30h。
优选地，还包括步骤（5），将干燥后的黑色粉末加入到5mol/L的氢氧化钾溶液中，室温下磁力搅拌10-12h，静置20-24h后，抽滤，滤饼在惰性气体气氛下，以800-1000℃煅烧1-2h，然后以稀盐酸和去离子水交替清洗后，真空干燥18-24h，得到多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片。
优选地，所述石墨烯纳米微片以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比（40-60）：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000-2500r/min下研磨8-10h得到。
采用磁场驱动替代滚动、搅拌、气流冲击等传统的机械驱动方式，利用微小尺寸、高强福度及大作用面积的钢针袋替代钢球、玛瑙球等研磨介质，在磁场的高频转换下，钢针飞速旋转，所产生的剪切力、碰撞力和摩擦力可有效对石墨材料进行厚度和粒径上的减小，从而得到纳米尺度的石墨烯材料。同时，采用双氧水为研磨介质，双氧水可分解产生氧气和水，可对石墨边缘进行微氧化。
本发明的有益效果：
1.采用石墨烯导热酚醛模塑料制成的壳体作为充电器外壳，利用石墨烯导热酚醛模塑料材料本身良好的导热、散热性进行散热。
2.充电器外壳设计为凹凸形，通过凹凸形增大充电器外壳的表面积，从而增大散热面积。
3.石墨烯导热酚醛模塑料以酚醛树脂和边缘氧化石墨烯纳米微片为原料，一方面，边缘氧化石墨烯纳米微片通过边缘氧化产生的含氧官能团以与酚醛树脂进行原位聚合，使得边缘氧化石墨烯的边缘插层于酚醛树脂间，对酚醛树脂的固化网络结构起到强韧化作用，从而提高复合塑料的冲击强度，使得制备得到的充电器壳体能够有效保护充电器；同时，边缘氧化石墨烯的边缘与酚醛树脂这种较强的界面结合力使得酚醛树脂分子链运动受到很大的限制，因此储能模量得到了提高，使得复合塑料热性能得到了提高。另一方面，边缘氧化石墨烯内部保留了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，使其具有较小的热膨胀系数，较大的水平导热系数，导热、匀热、散热性能好。
4.将边缘氧化石墨烯纳米微片改性为多孔结构，通过多孔结构进一步提高散热效果。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，并对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，包括充电器本体以及充电器壳体，充电器壳体表面交替设有若干凹槽和凸起，充电器壳体为石墨烯导热酚醛模塑料制成的一体成型体。通过石墨烯导热酚醛模塑料和凹凸结构设计达到充电器散热目的。
这种石墨烯导热酚醛模塑料，按照质量份，包括酚醛树脂70份、边缘氧化石墨烯纳米微片20份、偶联剂1份以及助剂8份。其中，偶联剂选用KH550，助剂选用四季戊四醇酯4份和硅土粉4份。
而边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比50：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2200r/min下研磨9h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以25mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的3倍的高锰酸钾，体系升温至35℃，搅拌2.5h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积6倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声30min后，以13000r/min的转速离心4min，得黑色粉末于70℃下真空干燥24h
f. 将干燥后的黑色粉末加入到5mol/L的氢氧化钾溶液中，室温下磁力搅拌11h，静置22h后，抽滤，滤饼在惰性气体气氛下，以900℃煅烧1.5h，然后以稀盐酸和去离子水交替清洗后，真空干燥20h，得到多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯导热酚醛模塑料由以下步骤制备：将酚醛树脂和助剂球磨混合均匀后，再与多孔结构边缘氧化石墨烯纳米微片、偶联剂混合并搅拌均匀，得到的物料送入双螺杆造粒机，塑化后造粒得到石墨烯导热酚醛模塑料。
然后将石墨烯导热酚醛模塑料通过注塑成型的方式制备得到充电器壳体即可。
将制备得到的充电器壳体置于工作负荷12h、24h、48h后，测定工作负荷前后温度变化，以（工作后温度-工作前温度）/工作前温度，计算升温率，检测结果如下表1。
实施例2
本实施例与上述实施例1基本相同，其不同之处仅在于石墨烯导热酚醛模塑料的组分和制备方法不同，其相同之处不再详细描述。
这种石墨烯导热酚醛模塑料，按照质量份，包括酚醛树脂50份、边缘氧化石墨烯纳米微片10份、偶联剂0.5份以及助剂5份。其中，偶联剂选用KH560，助剂选用四双膦酸酯1份和硅土粉4份。
而边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比40：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000r/min下研磨8h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以20mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的2.5倍的高锰酸钾，体系升温至30℃，搅拌2h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积5倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声20min后，以12000r/min的转速离心3min，得黑色粉末于60℃下真空干燥18h。
f. 将干燥后的黑色粉末加入到5mol/L的氢氧化钾溶液中，室温下磁力搅拌10h，静置20h后，抽滤，滤饼在惰性气体气氛下，以800℃煅烧1h，然后以稀盐酸和去离子水交替清洗后，真空干燥18h，得到多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯导热酚醛模塑料由以下步骤制备：将酚醛树脂和助剂球磨混合均匀后，再与多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片、偶联剂混合并搅拌均匀，得到的物料送入双螺杆造粒机，塑化后造粒得到石墨烯导热酚醛模塑料。
然后将石墨烯导热酚醛模塑料通过吸塑成型的方式制备得到充电器壳体即可。
将制备得到的充电器壳体置于实施例1中的工作负荷12h、24h、48h后，测定工作负荷前后温度变化，以（工作后温度-工作前温度）/工作前温度，计算升温率，检测结果如下表1。
实施例3
本实施例与上述实施例1基本相同，其不同之处仅在于石墨烯导热酚醛模塑料的组分和制备方法不同，其相同之处不再详细描述。
这种石墨烯导热酚醛模塑料，按照质量份，包括酚醛树脂85份、边缘氧化石墨烯纳米微片30份、偶联剂2份以及助剂10份。其中，偶联剂选用KH550，助剂选用四季戊四醇酯2份、四双膦酸酯2份和硅土粉6份。
而边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
a.以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比60：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2500r/min下研磨10h得到石墨烯纳米微片。
b.将浓硫酸和石墨烯纳米微片以30mL：1g的比例混合，冰盐浴冷却至0℃以下。
c.加入质量为石墨烯纳米微片的3.5倍的高锰酸钾，体系升温至40℃，搅拌3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
d.加入体积为浓硫酸体积7倍的去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
e.将滤饼超声40min后，以15000r/min的转速离心4min，得黑色粉末于80℃下真空干燥30h。
f. 将干燥后的黑色粉末加入到5mol/L的氢氧化钾溶液中，室温下磁力搅拌12h，静置24h后，抽滤，滤饼在惰性气体气氛下，以1000℃煅烧2h，然后以稀盐酸和去离子水交替清洗后，真空干燥24h，得到多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯导热酚醛模塑料由以下步骤制备：将酚醛树脂和助剂球磨混合均匀后，再与多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片、偶联剂混合并搅拌均匀，得到的物料送入双螺杆造粒机，塑化后造粒得到石墨烯导热酚醛模塑料。
然后将石墨烯导热酚醛模塑料通过注射成型的方式制备得到充电器壳体即可。
将制备得到的充电器壳体置于实施例1中的工作负荷12h、24h、48h后，测定工作负荷前后温度变化，以（工作后温度-工作前温度）/工作前温度，计算升温率，检测结果如下表1。
对比例1
一种石墨烯导热酚醛模塑料，按照质量份，包括酚醛树脂70份、普通石墨烯纳米微片20份、偶联剂1份以及助剂8份。其中，偶联剂选用KH550，助剂选用四季戊四醇酯4份和硅土粉4份。普通石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比50：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2200r/min下研磨9h得到石墨烯纳米微片。
准备好上述原料后，石墨烯导热酚醛模塑料由以下步骤制备：将酚醛树脂和助剂球磨混合均匀后，再与普通石墨烯纳米微片、偶联剂混合并搅拌均匀，得到的物料送入双螺杆造粒机，塑化后造粒得到石墨烯导热酚醛模塑料。
然后将石墨烯导热酚醛模塑料通过注塑成型的方式制备得到充电器壳体即可。
将制备得到的充电器壳体置于实施例1中的工作负荷12h、24h、48h后，测定工作负荷前后温度变化，以（工作后温度-工作前温度）/工作前温度，计算升温率，检测结果如下表1。
表1
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本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：包括充电器本体以及充电器壳体，所述充电器壳体表面交替设有若干凹槽和凸起，所述充电器壳体为石墨烯导热酚醛模塑料制成的一体成型体。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：按照质量份，所述石墨烯导热酚醛模塑料包括酚醛树脂50-85份、边缘氧化石墨烯纳米微片10-30份、偶联剂0.5-2份以及助剂5-10份。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：所述石墨烯导热酚醛模塑料由以下步骤制备：将酚醛树脂和助剂球磨混合均匀后，再与边缘氧化石墨烯纳米微片、偶联剂混合并搅拌均匀，得到的物料送入双螺杆造粒机，塑化后造粒得到石墨烯导热酚醛模塑料。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：所述助剂包括抗氧剂，所述抗氧剂选自四季戊四醇酯或四双膦酸酯中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：所述助剂包括硅土粉。
6.根据权利要求2所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：所述边缘氧化石墨烯纳米微片通过以下步骤制备：
（1）将浓硫酸和石墨烯纳米微片混合，冰盐浴冷却至0℃以下；
（２）加入高锰酸钾，体系升温至30-40℃，搅拌2-3h后冰盐浴冷却至0℃以下；
（３）加入去离子水，搅拌至高锰酸钾反应完毕后，抽滤，以去离子和稀盐水交替洗涤滤饼；
（４）将滤饼超声20-40min后，以12000-15000r/min的转速离心3-5min，得黑色粉末于60-80℃下真空干燥18-30h。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：还包括步骤（5），将干燥后的黑色粉末加入到5mol/L的氢氧化钾溶液中，室温下磁力搅拌10-12h，静置20-24h后，抽滤，滤饼在惰性气体气氛下，以800-1000℃煅烧1-2h，然后以稀盐酸和去离子水交替清洗后，真空干燥18-24h，得到多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片。
8.根据权利要求6所述的一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器，其特征在于：所述石墨烯纳米微片以天然鳞片石墨为原料，钢针为研磨体，针料质量比（40-60）：1，双氧水为研磨介质，在磁场变换频率为2000-2500r/min下研磨8-10h得到。
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