CN110938226A - 一种层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,包括如下步骤:以PP薄膜为基材,利用多巴胺自聚合的特性修饰聚丙烯(PP)薄膜,改善其亲水性;将氧化石墨烯覆盖在改性PP薄膜上,形成氧化石墨烯层;经过热压,制得具有层状结构的导热复合薄膜。本发明大幅简化了工艺、降低了成本,且控制方便,产品质量稳定,有利于大规模批量生产。本发明还提供了层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料,通过构建二维连续石墨烯网络,在维持聚丙烯材料自身优异力学性能的同时,大幅提高了其导热性能。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域,具体涉及一种层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子科技的快速发展,通讯电路、半导体等设备逐渐趋于小型化、密集化。这些高功率设备的飞速运行将会产生大量的热量,长时间的使用不仅会影响电子器件的精度,也会对设备造成损伤进而影响其寿命。所以非常有必要研究具有良好散热特性的高性能热管理器件。因此,必须制备高导热材料以满足其散热要求。
聚丙烯由于其质轻,价廉,力学性能优良等优点应用与生活生产的方方面面。但其热导率极低(≈0.2W/m·K),这限制了它在高功率和高热通量电子器件中的应用。所以,需要开发高导热PP基复合材料以拓展其应用领域。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,其具有优异的光学、电学、力学、热学特性,在材料学、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。将石墨烯作为导热填料应用于高分子材料中以得到广泛关注。但是其自身也存在着团聚性强、难以分散的缺点。
因此,如果将石墨烯作为导热填料需要解决的关键问题是石墨烯在PP基体中的分散性。中国专利文献CN104629496B公开了通过化学方法用长链分子改性石墨烯以提高石墨烯的分散性,避免团聚;中国专利文献CN106810630公开了通过金属有机试剂改性石墨烯,提高石墨烯在PP中的分散性。但是,通过化学改性的方法提高石墨烯的分散成本高,工艺复杂,高填充情况下会损害PP的力学性能。此外,对导热效果的提升不明显。
因此,必须考虑采用新的方法来制备石墨烯导热材料。
发明内容
本发明是针对现有技术的不足,而本发明的目的在于,提供一种层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料及其制备方法,省去石墨烯在PP中分散的步骤,直接构建二维石墨烯导热通路,在增强PP薄膜材料热导率的同时,维持其本身优异性能。同时,该方法工艺简洁,易于大规模批量生产。
本发明还提供了上述方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料。
为实现上述目的,本发明提供的技术方案是:
一种层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,其包括如下步骤:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到PP薄膜表面上,在其表面经过自聚合过程形成聚多巴胺层,对PP薄膜表面进行亲水改性,得到表面改性PP薄膜;
(2)将氧化石墨烯浆液覆盖在改性PP薄膜表面上,形成氧化石墨烯层;
(3)对该石墨烯层覆盖的改性PP薄膜,进行热压,制得具有层状结构的高导热复合薄膜材料。
步骤(3)还包括:(31)将制得的高导热复合薄膜材料,先通过折叠或层层堆叠的方法将石墨烯覆盖的改性PP薄膜堆积在一起,再热压,制得多层高导热薄膜复合材料。
所述步骤(1)中的PP薄膜的厚度为10μm~1mm。
步骤(1)中,多巴胺在PP薄膜表面上自聚合改性过程的具体步骤为:
(11)配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度为0.01mol/L~0.1mol/L,其中优选为0.01mol/L;
(12)利用盐酸调节缓冲液pH值,8.0~8.5,其中优选为8.5;将多巴胺分散在缓冲液中,含量为1g/L~3g/L,其中优选为2g/L;
(13)将PP薄膜浸入缓冲液中,温度20℃~60℃,时间为8h~48h,其中优选为60℃,24h。
所述步骤(2),是通过刮涂、旋涂或喷涂之一,将氧化石墨烯浆液覆盖在改性PP薄膜表面上。
所述氧化石墨烯浆液的厚度为10~100μm,优选为30~50μm。
所述氧化石墨烯浆液的浓度为5~10mg/ml,优选为6~7mg/ml。
所述步骤(3)中,热压温度为140~200℃,压力为10MPa~20Mpa;其中优选为150℃,其中优选为15MPa。
一种采用前述的方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料。
本发明的有益效果在于:
(1)本发明提供的制备方法,针对石墨烯在PP中分散困难、工艺复杂的问题,通过独特的组分及工艺设计,省去石墨烯在PP中分散步骤,直接构建二维石墨烯导热通路,大幅简化了工艺、降低了成本,且控制方便,产品质量稳定,有利于大规模批量生产。
(2)本发明提供的制备方法,以PP薄膜为基材,采用聚多巴胺改性使该PP薄膜具有较好的亲水性,有利于提高氧化石墨烯浆液的涂覆效率、均匀度和及其他成膜性能。
(3)本发明提供的复合材料,以PP薄膜为基材,在增强PP薄膜材料热导率的同时,维持其本身优异性能,具有优良的导热、散热性,超轻、超薄,可赋予其广泛的应用。该复合材料柔韧性好,能够使得制得的薄膜厚度小、柔韧、超薄;具有优良的粘结性能,耐候、耐化性,有较高机械的强度;具有优良的导热/散热和机械性能,导热系数为4~20W/m·K,远大于目前通用的熔融混合制得的材料;可以用于手机、计算机等电子产品,并可以满足柔性电子产品的柔软性设计要求。
下面结合附图与具体实施方式,对本发明进一步详细说明。
附图说明
图1为聚丙烯薄膜和聚多巴胺改性聚丙烯薄膜静态和动态接触角测试结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
本实施例提供的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其包括如下步骤:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到PP薄膜表面上,在其表面经过自聚合过程形成聚多巴胺层,对PP薄膜表面进行亲水改性,得到表面改性PP薄膜;该PP薄膜的厚度为10μm~1mm;
用多巴胺在PP薄膜表面上自聚合改性过程的具体步骤为:
(11)配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度为0.01mol/L~0.1mol/L,其中优选为0.01mol/L;
(12)利用盐酸调节缓冲液pH值,8.0~8.5,其中优选为8.5;将多巴胺分散在缓冲液中,含量为1g/L~3g/L,其中优选为2g/L;
(13)将PP薄膜浸入缓冲液中,温度20℃~60℃,时间为8h~48h,其中优选为60℃,24h;
(2)将氧化石墨烯浆液覆盖在改性PP薄膜表面上,形成氧化石墨烯层;
具体是通过刮涂、旋涂或喷涂之一,将氧化石墨烯浆液覆盖在改性PP薄膜表面上;所述氧化石墨烯浆液的厚度为10~100μm;所述氧化石墨烯浆液的浓度为5~10mg/ml;
(3)对该石墨烯层覆盖的改性PP薄膜,进行热压,制得具有层状结构的高导热复合薄膜材料;热压温度为140~200℃,压力为10MPa~20Mpa;
(31)将制得的高导热复合薄膜材料,先通过折叠或层层堆叠的方法将石墨烯覆盖的改性PP薄膜堆积在一起,再进行热压,制得多层高导热薄膜复合材料。
具体地,本实施例包括如下步骤:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到聚丙烯薄膜上,在聚丙烯表面形成聚多巴胺层:聚丙烯薄膜厚度为20μm,配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度0.01mol/L,利用盐酸调节缓冲液pH值至8.5;将多巴胺分散在缓冲液中,含量为2g/L;将厚度为20μm的聚丙烯薄膜浸入缓冲液中,温度调节至60℃,在缓慢搅拌装塔下,浸泡24h,所得聚多巴胺改性聚丙烯薄膜用去离子水和乙醇反复冲洗,室温下晾干;
(2)将氧化石墨烯覆盖在改性PP塑料薄膜上,形成石墨烯层;通过刮涂将氧化石墨烯分散液涂覆到聚多巴胺改性聚丙烯薄膜上,氧化石墨烯厚度为10μm,烘箱内干燥得到石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜;
(3)将制得石墨烯覆盖的改性PP塑料,通过热压得到具有层状结构的PP塑料基复合材料:通过层层堆叠将2层石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜堆积在一起,用平板硫化仪热压,热压温度150℃、压力15MPa。
采用上述方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料,经实际测试,其热导率为4.54W/m·K。
参见附图1,聚丙烯薄膜和聚多巴胺改性聚丙烯薄膜静态和动态接触角测试结果。其中,左侧两幅图为未改性聚丙烯薄膜,右侧两幅为聚多巴胺改性聚丙烯薄膜。由其接触角的变化可知,其表面亲水性能得到了大幅改善。
实施例2:
本实施例提供的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法及材料,其基本上与实施例1基本相同,其不同之处在于:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到聚丙烯薄膜上,在聚丙烯表面形成聚多巴胺层:聚丙烯薄膜厚度为20μm,配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度0.01mol/L,利用盐酸调节缓冲液pH值至8.5;将多巴胺分散在缓冲液中,含量为2g/L;将厚度为20μm的聚丙烯薄膜浸入缓冲液中,温度调节至60℃,在缓慢搅拌装塔下,浸泡24h,所得聚多巴胺改性聚丙烯薄膜用去离子水和乙醇反复冲洗,室温下晾干;
(2)将氧化石墨烯覆盖在改性PP塑料薄膜上,形成石墨烯层;通过刮涂将氧化石墨烯分散液涂覆到聚多巴胺改性聚丙烯薄膜上,氧化石墨烯厚度为10μm,烘箱内干燥得到石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜;
(3)所得石墨烯覆盖的改性PP塑料通过热压得到具有层状结构的PP塑料基复合材料:通过层层堆叠将6层石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜堆积在一起,用平板硫化仪热压,热压温度200℃、压力10MPa。
采用上述方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料,经实际测试,其热导率为5.96W/m·K。
实施例3:
本实施例提供的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法及材料,其基本上与实施例1、2均基本相同,其不同之处在于:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到聚丙烯薄膜上,在聚丙烯表面形成聚多巴胺层:聚丙烯薄膜厚度为20μm,配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度0.01mol/L,利用盐酸调节缓冲液pH值至8.5;将多巴胺分散在缓冲液中,含量为2g/L;将厚度为20μm的聚丙烯薄膜浸入缓冲液中,温度调节至60℃,在缓慢搅拌装塔下,浸泡24h,所得聚多巴胺改性聚丙烯薄膜用去离子水和乙醇反复冲洗,室温下晾干。
(2)将氧化石墨烯覆盖在改性PP塑料薄膜上,形成石墨烯层;通过刮涂将氧化石墨烯分散液涂覆到聚多巴胺改性聚丙烯薄膜上,氧化石墨烯厚度为10μm,烘箱内干燥得到石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜;
(3)所得石墨烯覆盖的改性PP塑料通过热压得到具有层状结构的PP塑料基复合材料,通过层层堆叠将8层石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜堆积在一起,用平板硫化仪热压,热压温度140℃、压力20MPa。
采用上述方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料,经实际测试,其热导率为19.59W/m·K。
实施例4:
本实施例提供的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法及材料,其基本上与实施例1、2、3均基本相同,其不同之处在于:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到聚丙烯薄膜上,在聚丙烯表面形成聚多巴胺层:聚丙烯薄膜厚度为20μm,配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度0.01mol/L,利用盐酸调节缓冲液pH值至8.5;将多巴胺分散在缓冲液中,含量为2g/L;将厚度为20μm的聚丙烯薄膜浸入缓冲液中,温度调节至60℃,在缓慢搅拌装塔下,浸泡24h,所得聚多巴胺改性聚丙烯薄膜用去离子水和乙醇反复冲洗,室温下晾干。
(2)将氧化石墨烯覆盖在改性PP塑料薄膜上,形成石墨烯层;通过刮涂将氧化石墨烯分散液涂覆到聚多巴胺改性聚丙烯薄膜上,氧化石墨烯厚度为10μm,烘箱内干燥得到石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜;
(3)所得石墨烯覆盖的改性PP塑料通过热压得到具有层状结构的PP塑料基复合材料:通过层层堆叠将10层石墨烯覆盖的改性聚丙烯薄膜堆积在一起,用平板硫化仪热压,热压温度160℃、压力18MPa。
采用上述方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料,经实际测试,其热导率为14.79W/m·K。
类似材料性能对比测试:
采用微型双螺杆挤出机制备石墨烯含量分别为20wt%,30wt%,40wt%的聚丙烯/石墨烯复合材料,热导率分别为0.49、0.50、0.58W/m·K。由此可见,而本发明所制备的层状导热复合材料热导率远大于熔融挤出,原因在于其直接构筑二维石墨烯导热通路,同时避免了石墨烯分散的工序,大幅简化了制备工艺,降低了成本,提高的生产效率,同时大幅提高了材料的导热性能。
本发明通过构建二维连续石墨烯网络,在维持聚丙烯材料自身优异力学性能的同时,大幅提高了其导热性能。
本发明并不限于上述实施方式,在本发明记载的各组分及工艺条件的范围内选择具体的数值,或者采用与其相同或相似组分、工艺方法所得到的其它层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法和材料,均在本发明保护范围内。
Claims (9)
1.一种层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,其包括如下步骤:
(1)以PP薄膜为基材,将多巴胺修饰到PP薄膜表面上,在其表面经过自聚合过程形成聚多巴胺层,对PP薄膜表面进行亲水改性,得到表面改性PP薄膜;
(2)将氧化石墨烯浆液覆盖在改性PP薄膜表面上,形成氧化石墨烯层;
(3)对该石墨烯层覆盖的改性PP薄膜,进行热压,制得具有层状结构的高导热复合薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(3),其还包括如下步骤:
(31)将制得的高导热复合薄膜材料,先通过折叠或层层堆叠的方法将石墨烯覆盖的改性PP薄膜堆积在一起,再热压,制得多层高导热薄膜复合材料。
3.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的PP薄膜的厚度为10μm~1mm。
4.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,多巴胺在PP薄膜表面上自聚合改性过程的具体步骤为:
(11)配制三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液,浓度为0.01mol/L~0.1mol/L;
(12)利用盐酸调节缓冲液pH值到8.0~8.5,将多巴胺分散在缓冲液中,含量为1g/L~3g/L;
(13)将PP薄膜浸入缓冲液中,温度20℃~60℃,时间为8h~48h。
5.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2),是通过刮涂、旋涂或喷涂之一,将氧化石墨烯浆液覆盖在改性PP薄膜表面上。
6.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,所述氧化石墨烯浆液的厚度为10~100μm。
7.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,所述氧化石墨烯浆液的浓度为5~10mg/ml。
8.根据权利要求1所述的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,热压温度为140~200℃,压力为10MPa~20MPa。
9.一种采用权利要求1~8之一的方法制备的层状聚丙烯/石墨烯导热复合材料。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200331 |
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