CN110844902A - 一种石墨泡沫及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备石墨泡沫的方法。该方法包括：将氧化石墨烯的浆料和石墨烯微片的浆料混匀排气，成型后干燥，再进行还原反应，反应完毕得到所述石墨泡沫。该方法相比现有技术，不会造成环境污染，且所得石墨泡沫的密度可达0.2～0.6g/cm³；导热系数≥80W/m·K；抗压强度≥5Mpa。本发明提供的石墨泡沫可以作为相变材料的储热支架，快速实现热量在相变材料的储存和释放。该石墨泡沫复合石蜡相变材料的相变储热能可达到150J/g；也可作为散热器，代替铝散热器、铜散热器，降低散热器的重量，重量减少75％以上。

Description

一种石墨泡沫及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种石墨泡沫及其制备方法。

背景技术

石墨泡沫是一种新兴的石墨材料，其拥有低的密度、高导热系数、高强度，应用在电磁屏蔽、吸波、隔音、储热支架等行业。

现有的石墨泡沫采用物理发泡或化学发泡技术制备，工艺复杂，成本高，大规模制备存在困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨泡沫及其制备方法。

本发明提供了一种制备石墨泡沫的方法，该方法包括：

将氧化石墨烯的浆料和石墨烯微片的浆料混匀排气，成型后干燥，再进行还原反应，反应完毕得到所述石墨泡沫。

上方法中，所述氧化石墨烯的层数为3层及以下；片径为2～30μm；所述片径为片径D50；更具体可为3μm、15μm或30μm。

所述石墨烯微片的剥离层数为10层及以下；片径为10～50μm；所述片径为片径D50；更具体可为20μm、30μm或50μm。

所述氧化石墨烯的浆料和石墨烯微片的浆料中，溶剂均选自去离子水、乙醇和NMP中至少一种；考虑到最终的干燥是自然环境的阴干及环保，优选去离子水；

所述氧化石墨烯的浆料中，氧化石墨烯占所述氧化石墨烯的浆料总重的质量百分含量为2～6％；具体可为3.03％或5.88％；

所述石墨烯微片的浆料中，石墨烯微片占所述石墨烯微片的浆料总重的质量百分含量为10～25％；具体可为23.73％；

所述氧化石墨烯与所述石墨烯微片的质量比为2:10～10:2；具体为2:0.6或2:8或2:5.6。

所述混匀的方式为高速分散；所述高速分散中，线速度具体为15-200m/s；具体可为30m/s、50m/s或60m/s；时间具体为1-1.2h；混匀后的状态类似于陶瓷的泥或者和面的面团状态；

所述排气的方式为挤压和糅合；糅合的目的是除去其中的气泡；

所述成型为在模具中挤压压实脱模；

所述干燥的方式为阴干；时间为2-4天；具体为2.5-4天；更具体可为3天。

所述还原反应具体为热处理，对氧化石墨烯微片复合的块体进行加热处理，先升温至热处理温度，在该温度下保持一定的处理时间，使氧化石墨烯微片复合的块体中的含氧基团脱离块体，

由于石墨烯微片并无官能团，在干燥组装过程中不能密实组装，组装之间存在间隙，石墨烯微片片径大，孔隙就大；而氧化石墨烯片层上有发达的官能团，在其热还原的过程中，官能团失去产生的气体通道从而形成孔隙。氧化石墨烯的含量越多，则此类孔隙所占比例即越多。

更具体的，所述热处理步骤中，温度为1000～3000℃；具体可为1600℃或2800℃；

由室温升至500℃的升温速率为2～5℃/min；

由500℃升温至热处理温度的速率可采用各种升温速率，具体与所用设备有关；如由500℃升温至热处理温度的速率可为5～10℃/min；

所述热处理在惰性气氛中进行；所述惰性气氛为氩气气氛；

热处理的时间可为3-12h；更具体可为3h、10h或12h。

另外，本发明还要求保护按照上述方法制备得到的石墨泡沫；具体的，所述石墨泡沫的密度为0.2～0.6g/cm³；具体可为0.26g/cm³、0.41g/cm³或0.55g/cm³。

导热系数≥80W/m·K；具体可为120W/m·K、180W/m·K或208W/m·K；

抗压强度≥5Mpa；具体可为7MPa或10MPa。

此外，本发明还要求保护所述石墨泡沫在制备能够实现热量的储藏和/或释放的产品中的应用以及含有所述石墨泡沫的能够实现热量的储藏和/或释放的产品；

本发明还要求保护所述石墨泡沫与相变材料复合而得的产品以及上述石墨泡沫与相变材料复合而得的产品在热量的储藏和/或释放中的应用；

具体的，所述能够实现热量的储藏和/或释放的产品可为散热器。

本发明采用氧化石墨烯和石墨烯微片复合，制备成三维的石墨泡沫；将氧化石墨烯和石墨烯微片分别分散到溶剂中，再搅拌混合均匀成粘稠膏状物，将膏状物多次的挤压和糅合，排出其中的气体，然后将其放入模具中，制成一定形状，拿出在自然环境中阴干，后将其进行热处理，得到石墨泡沫。该方法相比现有技术，不会造成环境污染，且所得石墨泡沫的密度可达0.2～0.6g/cm³；导热系数≥80W/m·K；抗压强度≥5Mpa。本发明提供的石墨泡沫可以作为相变材料的储热支架，将相变材料例如石蜡，填充在泡沫石墨的微孔中，因其具有很高的导热系数，可以快速实现热量在相变材料的储存和释放。该石墨泡沫复合石蜡相变材料的相变储热能可达到150J/g；也可作为散热器，将其设计所需特定形状的散热器，因其具有较高导热系数，可以实现热源处热量的快速导出，实现高效散热。因石墨泡沫的密度很低，可以代替铝散热器、铜散热器，降低散热器的重量，重量减少75％以上。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例1实物图；

图2为实施例1热处理后的切开面的实物图；

图3为实施例1SEM图；

图4为实施例2实物图；

图5为实施例2SEM图；

图6为实施例3实物图；

图7为实施例3SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

下述实施例所得石墨泡沫的密度采用国标的排水法测试；导热系数采用国标的激光闪射法测试，抗压性能采用国标的万能拉力仪测试。

实施例1、

将100g的片径D50为30μm的氧化石墨烯加入到4900g去离子水中，通过高速分散，高速分散的线速度为30m/s，时间1h，得到2％固含量的氧化石墨烯浆料；

将400g的片径D50为10μm的石墨烯微片加入到3600g去离子水中，通过高速分散，高速分散的线速度为15m/s，时间1h，得到10％的固含量的石墨烯微片浆料；

将上述得到的两种浆料混合在一起，搅拌均匀，搅拌线速度5m/s，时间1.5h；将搅拌后的混合浆料进行挤压糅合，除去其中的气泡；

将挤压糅合后的混合浆料，制作成20*20*50mm的长方体，放置阴干3天，得到干燥的氧化石墨烯微片复合块体；

将得到的氧化石墨烯微片复合的块体进行热处理，得到石墨泡沫；

热处理的温度为1600℃，氩气保护，由室温升至500℃的升温速率为2℃/min；由500℃升温至1600℃速率为10℃/min；保持1600℃热处理3h；

石墨泡沫的密度为0.55g/cm³，导热系数120W/m·K，抗压10MPa；

图1为实施例1实物图；

图2为实施例1热处理后的切开面的实物图；

图3为实施例1SEM图；

从制备后的实物图和热处理图可以看出，前后的结构保持完整，切开面内部是均一的结构。

从SEM图可以看出石墨烯微片的结构，且是3维分布的，内部空隙发达。

实施例2、

将100g的片径D50为15μm的氧化石墨烯加入到3200g去离子水中，通过高速分散，高速分散的线速度为50m/s，时间1.2h，得到3.03％固含量的氧化石墨烯浆料；

将280g的片径D50为20μm的石墨烯微片加入到900g去离子水中，通过高速分散，高速分散的线速度为30m/s，时间1h，得到23.73％的固含量的石墨烯微片浆料；

将上述得到的两种浆料混合在一起，搅拌均匀，搅拌线速度7m/s，时间1.5h；将搅拌后的混合浆料进行挤压糅合，除去其中的气泡；

将挤压糅合后的混合浆料，制作成直径50mm高10mm的圆柱体，放置阴干2.5天，得到干燥的氧化石墨烯微片复合块体；

将得到的氧化石墨烯微片复合的块体进行热处理，得到石墨泡沫；热处理的温度为2800℃，氩气保护，由室温升至500℃的升温速率为2℃/min；由500℃升温至2800℃速率为5℃/min；热处理的时间为10h；

石墨泡沫的密度为0.41g/cm³,导热系数180W/m·K，抗压7MPa；

图4为实施例2实物图；

图5为实施例2SEM图；

由图可知，该方法可以制备不同形状的石墨泡沫。

从SEM图可以看出石墨烯微片的结构，且是3维分布的，内部空隙发达。

实施例3、

将100g的片径D50为3μm的氧化石墨烯加入到1600g去离子水中，通过连续高速分散，高速分散的线速度为200m/s，得到5.88％固含量的氧化石墨烯浆料；

将30g的片径D50为50μm的石墨烯微片加入到90g去离子水中，通过高速分散，高速分散的线速度为60m/s，时间1h，得到25％的固含量的石墨烯微片浆料；

将上述得到的两种浆料混合在一起，搅拌均匀，搅拌线速度7m/s，时间1.5h；将搅拌后的混合浆料进行挤压糅合，除去其中的气泡；

将挤压糅合后的混合浆料，制作成直径10mm高100mm的圆柱，放置阴干4天，得到干燥的氧化石墨烯微片复合块体；

将得到的氧化石墨烯微片复合的块体进行热处理，得到石墨泡沫；热处理的温度为2800℃，氩气保护，由室温升至500℃的升温速率为2℃/min；由500℃升温至2800℃速率为4℃/min；热处理的时间为12h；

石墨泡沫的密度为0.26g/cm³,导热系数208W/m·K，抗压5MPa；

图6为实施例3实物图；

图7为实施例3SEM图；

由图可知，该方法可以制备不同形状的石墨泡沫。

从SEM图可以看出石墨烯微片的结构，且是3维分布的，内部空隙发达。相比实施例1和2，实施例3的空隙结构更大。

实施例4、实施例1所得石墨泡沫的应用

1)作为相变材料的储热支架

将相变材料鲁尔能源的相变石蜡OP44E5.86g填充在实施例2所得4.1g石墨泡沫的微孔中。由于石墨泡沫具有很高的导热系数，可以快速的实现热量在相变材料中的储存和释放，相变储热能达到可达150J/g。

2)作为散热器

将实施例1所得石墨泡沫设计所需特定形状的散热器，代替铝散热器、铜散热器，降低散热器的重量，重量减少75％以上；且因其具有较高导热系数，可以实现热源处热量的快速导出。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备石墨泡沫的方法，包括：

将氧化石墨烯的浆料和石墨烯微片的浆料混匀排气，成型后干燥，再进行还原反应，反应完毕得到所述石墨泡沫。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氧化石墨烯的层数为3层及以下；片径为2～30μm；

所述石墨烯微片的剥离层数为10层及以下；片径为10～50μm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述氧化石墨烯的浆料和石墨烯微片的浆料中，溶剂均选自去离子水、乙醇和NMP中至少一种；

所述氧化石墨烯的浆料中，氧化石墨烯占所述氧化石墨烯的浆料总重的质量百分含量为2～6％；

所述石墨烯微片的浆料中，石墨烯微片占所述石墨烯微片的浆料总重的质量百分含量为10～25％；

所述氧化石墨烯与所述石墨烯微片的质量比为2:10～10:2。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：所述混匀的方式为高速分散；所述高速分散中，线速度具体为15-200m/s；时间具体为1-1.2h；

所述排气的方式为挤压和糅合；

所述成型为在模具中挤压压实脱模；

所述干燥的方式为阴干；时间为2-4天；具体为2.5-4天。

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于：所述还原反应采用热处理的方式实现。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述热处理步骤中，温度为1000～3000℃；

由室温升至500℃的升温速率为2～5℃/min；

所述热处理在惰性气氛中进行；所述惰性气氛为氩气气氛。

7.权利要求1-6任一所述方法制备得到的石墨泡沫。

8.根据权利要求7所述的石墨泡沫，其特征在于：所述石墨泡沫的密度为0.2～0.6g/cm³；

导热系数≥80W/m·K；

抗压强度≥5Mpa。

9.权利要求7或8所述石墨泡沫在制备能够实现热量的储藏和/或释放的产品中的应用；

含有权利要求7或8所述石墨泡沫的能够实现热量的储藏和/或释放的产品；

权利要求7或8所述石墨泡沫与相变材料复合而得的产品；

所述权利要求7或8所述石墨泡沫与相变材料复合而得的产品在热量的储藏和/或释放中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用或产品，其特征在于：所述能够实现热量的储藏和/或释放的产品为散热器。

Images