CN111087790B

CN111087790B - 一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料及其制备方法

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Publication number: CN111087790B
Application number: CN202010012166.0A
Authority: CN
Inventors: 龚华旭; 陈永珍; 王炜; 王迪; 张子祥; 张少杰
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-01-07
Also published as: CN111087790A

Abstract

本发明公开了一种石墨烯‑金属粉末复合导电导热塑料及其制备方法，该复合导热导电塑料中的各组分按重量百分比计分别是：导电填料0.1‑20%、主体塑料77‑99.8%、偶联剂0.1‑3%，填料是由金属粉末和片状石墨烯按1‑15:5‑19的质量比配比混合组成的混合物，使用金属粉末作为导热和导电填料，同时添加片状的石墨烯，利用片状石墨烯本身具备的良好柔韧性，使之能够与金属粉末和基体材料紧密接触，并在塑料基材中得以均匀分布，进而增强了塑料制品的导电性、导热性和机械性能，金属粉末和石墨烯在塑料基体中构筑起良好的导热和导电网络，使得最终制备出的复合型改性塑料具有优异的导热和导电性能。

Description

一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料及其制备方法。

背景技术

随着智能电子设备的快速发展，设备的电磁辐射和散热问题也越来越突出，因而对导电导热复合材料的综合性能提出了越来越高的要求。例如用于通讯基站的复合材料，既要保证良好的电磁屏蔽性能，又要具有很好的导热性能；智能电脑中的CPU，其底部就需要具良好屏蔽性能的散热材料制成；传统的金属、陶瓷等材料显然己无法满足这些场合的需求。

塑料是一种具有化学性质稳定、质轻、力学性能好、耐腐蚀性能强等优势的材料，但是传统的塑料一般是热和电的不良导体，热传导率只有0.2 W/(m·K），因此不能满足导电/导热领域的要求，应用前景受到限制。因而，不同成分的导电/导电塑料被相继开发利用，该类塑料同时具有金属的导电、导热性和塑料的可加工性，能够满足导电/导热领域的特殊需求。

导电/导热塑料一般分为后加工型和复合型，后加工型导电塑料是本身具有导电性或经化学改性后具有导电性的塑料，这一类塑料具有生产成本高、长期稳定性差的缺点。复合型导热/导电塑料是指经物理改性后具有导电性的塑料，一般以某种树脂为基体，加入具有优异的导热/导电性能的填料后复合而成；它具有导热和导电性能好、易注塑成型、加工成本低并且导热和导电系数可调等优点。但现有技术中的复合型导电/导热塑料常因填料的导热和导电性能不够，或者添加量不足，而无法满足高端电子自动化设备在导热和导电方面的需求；如果一味通过加大导热和导电填料的添加量来改善相应的性能，又会造成机械性能的降低，限制其在精密电器元件中的大规模使用。

因此，亟需制备一种既具有良好的导热和导电性能，且方便注塑加工成型的复合塑料来解决现有技术中存在的不足，为高端精密电器元件的制备提供原料基础。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料及其制备方法，制备时将金属粉末和二维片状石墨烯作为复合填料，均匀分散于塑料基体中，填料与基体塑料相容性好，塑料的导热系数和屏蔽效能均显著提高。

本发明的技术方案为：一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料，各组分按重量百分比计，包括：

导电填料0 .1-20%；

主体塑料77-99.8%；

偶联剂 0.1-3%；

其中，导电填料是由金属粉末和片状石墨烯按1-15:5-19的质量比配比混合组成的混合物。

进一步地，金属粉末是直径为0.05-100 μm的金属材料，片状石墨烯是厚度为2-20nm、直径为1-500 μm的二维结构材料。

进一步地，金属粉末与片状石墨烯的质量比为1:2。

进一步地，金属粉末包括铁粉、铝粉、铜粉、锡粉、锌粉、镍粉中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，主体塑料包括PP、PE、PA6、PA66、PC、ABS、PMMA、PC/ABS、PPS、PVC、PVA、PPO、PBT、LDPE、HDPE、PVDF、PPA、PEEK、PET、LCP 、PEI中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯中的一种。

一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料的制备方法，具体包括如下步骤：

1）物理法制备石墨烯：

通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨和分散剂分散在水中，随后通过高速分散机进行分散处理，将分散后的溶液经高压均质机进行物理剪切剥离，制备出石墨烯片浆料；

2）制备金属粉末/石墨烯复合粉体：

将金属粉末加入到步骤1制备的石墨烯片浆料中，通过高速分散机进行分散处理，接着将所得到的浆料烘干或进行冷冻干燥处理；

3）制备改性塑料：将步骤2制得的复合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合3-30 min，再利用双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料，造粒得到的改性塑料母料可以进一步加工，经过注塑形成产品，最后整合统一包装。

进一步地，步骤1中，高速分散机进行分散处理时的搅拌速度为5000-30000 r/min、处理时间10 min-10 h；高压均质机的压力为0.01-10 Mpa，剥离时间为1 s-10 min。

进一步地，步骤2中，高速分散机处理时的搅拌速度为5000-30000 r/min、时间为10 min-5 h；烘干温度为50-120℃，烘干时间为1-24 h。

进一步地，步骤3中，挤出机温度设定在150-320℃，熔体加工扭矩为10-200N·m。

本发明的有益效果是：

1. 本发明公开一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料及其制备方法，使用金属粉末作为导热和导电填料，同时添加片状的石墨烯，利用片状石墨烯本身具备的良好柔韧性，使之能够与金属粉末和基体材料紧密接触，并在塑料基材中得以均匀分布，进而增强了塑料制品的导电性、导热性和机械性能，金属粉末和石墨烯在塑料基体中构筑起良好的导热和导电网络，最终保证制备出的复合型改性塑料具有优异的导热和导电性能；

2. 利用本发明公开方法制备出的改性塑料的导热系数可达3 W/m·K，电磁屏蔽效能达到了50 dB左右；

3. 本发明公开的复合塑料的制备工艺简单、生产成本低、无污染、适于工业化生产。

附图说明

图 1是实施例1制备的导热导电复合塑料的电磁屏蔽效能曲线；

图 2是实施例1-6制备的导热和导电塑料的导电和导热性能数据统计图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

实施例1

导热导电复合塑料的组分以质量百分比计分别为：直径为10 μm的铝粉10％，石墨烯10％，PC/ABS 78％，硅烷偶联剂2%；

具体制备步骤为：

a、先通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨（膨胀倍数500）和适当的分散剂分散在水中，浓度为100 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间1 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0.5 Mpa，时间为1min，制备出石墨烯片浆料；

b、将铝粉粉末加入到步骤a制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间10min；随后将所得到的浆料进行冷冻干燥处理，干燥时间为24 h，制得石墨烯和金属粉末的混合粉体；

c、将制得的石墨烯和金属粉末的混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合10min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在220℃，熔体加工扭矩为100N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料。

该复合塑料具备均匀完美的导电网络以及优异的导热性能和电磁屏蔽性能，图1为该复合材料的电磁屏蔽效能图，可以看出在10 MHz-1.5 GHz频率范围内，复合材料的电磁屏蔽效能达到了到50 dB以上。

实施例2

导热和导电复合塑料的组分以质量百分比计分别为：直径为50 μm的铁粉5％，石墨烯15％，PBT78％，硅烷偶联剂2%。

具体制备步骤为：

a、先通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨（膨胀倍数500）和适当的分散剂分散在水中，浓度为150 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间2 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0.8 Mpa，时间为1min，制备出石墨烯片浆料；

b、将铁粉粉末加入到步骤a制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间15 min；随后将所得到的浆料进行冷冻干燥处理，干燥时间为24 h，制得石墨烯和金属粉末混合粉体；

c、将制得的石墨烯和金属粉末混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合10min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在230℃，熔体加工扭矩为80 N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料。

实施例3

导热和导电复合塑料的组分以质量百分比计分别为：直径为25 μm的镍粉10％，石墨烯10％，PA66 78％，钛酸酯2%。

具体制备步骤为：

a、先通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨（膨胀倍数200）和适当的分散剂分散在水中，浓度为100 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间1 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0.5 Mpa，时间为1min，制备出石墨烯片浆料；

b、将镍粉粉末加入到步骤a制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间20 min；随后将所得到的浆料进行烘干处理，干燥温度为60℃，时间为8 h，制得石墨烯和金属粉末混合粉体；

c、将制得的石墨烯和金属粉末混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合10min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在290℃，熔体加工扭矩为120N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料。

实施例4

导热和导电复合塑料的组分以质量百分比计分别为：直径为50 μm的铁粉10％，石墨烯5％，PC/ABS 84％，硅烷偶联剂1%。

具体制备步骤为：

a、先通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨（膨胀倍数200）和适当的分散剂分散在水中，浓度为50 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间0.5 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0.5 Mpa，时间为30s，制备出石墨烯片浆料；

b、将铁粉粉末加入到步骤a制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间20min；随后将所得到的浆料进行冷冻干燥处理，时间为12 h，制得石墨烯和金属粉末混合粉体；

c、将制得的石墨烯和金属粉末混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合10min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在220℃，熔体加工扭矩为60 N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料。

实施例5

导热和导电复合塑料的组分以质量百分比计分别为：直径为20 μm的铁粉和直径为50 μm的铝粉2％，石墨烯8％，PEI88％，钛酸酯2%。

具体制备步骤为：

a、先通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨（膨胀倍数400）和适当的分散剂分散在水中，浓度为150 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为8000 r/min，时间1 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0.6 Mpa，时间为1min，制备出石墨烯片浆料。

b、将铁粉和铝粉粉末加入到步骤a制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为6000 r/min，时间10min；随后将所得到的浆料进行冷冻干燥处理，时间为24 h，制得石墨烯和金属粉末混合粉体；

c、将制得的石墨烯和金属粉末混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合30min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在320℃，熔体加工扭矩为150N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料。

实施例6

导热和导电复合塑料的组分以质量百分比计分别为：直径为10 μm的铝粉和直径为30 μm的锌粉1％，石墨烯19％，PPS77％，硅烷偶联剂3%。

具体制备步骤为：

a、先通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀石墨（膨胀倍数500）和适当的分散剂分散在水中，浓度为80 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间1.5 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0.8 Mpa，时间为30 s，制备出石墨烯片浆料；

b、将铝粉和锌粉粉末加入到步骤a制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为4000 r/min，时间20 min；随后将所得到的浆料进行冷冻干燥处理，时间为24 h，制得石墨烯和金属粉末混合粉体；

c、将制得的石墨烯和金属粉末混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合5min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在310℃，熔体加工扭矩为160N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料。

图2为上述六个实施例中各自制备的导热和导电复合塑料的导电和导热性能测试数据，从图中可知利用本实施方式公开方法制备的复合塑料的导电、导热性能均可得到大幅度的提高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims

1.一种石墨烯-金属粉末复合导电导热塑料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）物理法制备石墨烯：

通过机械法制备片状石墨烯：将膨胀倍数为500的膨胀石墨和适当的分散剂分散在水中，浓度为100 g/L，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间1 h，随后将分散后的溶液通过高压均质机进行物理剪切剥离，压力为0 .5 Mpa，时间为1 min，制备出石墨烯片浆料；

2）制备金属粉末/石墨烯复合粉体：

将铝粉粉末加入到步骤1 ）制备的石墨烯片浆料中，随后通过高速分散机进行分散处理，搅拌速度为5000 r/min，时间10min；随后将所得到的浆料进行冷冻干燥处理，干燥时间为2 4 h，制得石墨烯和金属粉末的混合粉体；

3）将制得的石墨烯和金属粉末的混合粉体、偶联剂和塑料基材在混料机中混合10min，再通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机温度设定在220℃，熔体加工扭矩为100N·m，挤出后在切粒机中造粒，制得金属粉末/石墨烯复合的导热导电塑料；

各组分以质量百分比计：直径为10 μm的铝粉10％，石墨烯 10％，PC/ABS 78％，硅烷偶联剂2%。