CN112374492A - 高导电高导热卷材石墨烯膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高导电高导热卷材石墨烯膜及其制备方法，本发明通过在氧化石墨烯浆料中添加部分石墨烯粉料，一方面提高氧化石墨烯‑石墨烯水性浆料总的固含量，减少水的使用，大大提高烘干效率；另一方面从整体上提高了高氧化石墨烯‑石墨烯膜的碳氧比，含氧基团的相对值降低，这样在烧结中，同等质量下逃逸气体减少，可以减少石墨化过程中石墨烯的膨化问题。本发明在石墨化之前增加一个低温预还原过程，先将绝大部分的含氧基团通过预还原方式进行去除，预防膜的膨化。本发明采用石墨卷材做支撑材料，内外石墨烯筒芯做束缚材料，两者相互作用，抑制石墨烯膜在烧结石墨化过程中的膨胀，而且给予石墨烯膜石墨化过程中一定的压力，更加利于石墨化。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯膜连续成卷制备方法领域，具体涉及一种高导电高导热卷材石墨烯膜及其制备方法。
背景技术
石墨烯是由单层碳原子组成六角形紧密堆积的二维晶体，厚度仅为0.35nm。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过20000cm2/(V·s)，超过了硅材料的100倍，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料之一。石墨烯因其在电学、力学、导热散热、光学、高比表面积等方面表现出优异的性能，使其在电子信息、储能、节能环保、航空航天领域拥有巨大的应用潜能，成为近年来的研发热点之一。
目前具有商业价值的石墨烯膜主要有两种：一种是CVD法制备的微观石墨烯膜，主要利用其透明导电特性，用作取代ITO作为透明导电电极，但存在工艺复杂、成本高、良品率低等缺点无法进行大规模推广；一种是宏观石墨烯膜，为本发明涉及的石墨烯膜，主要利用的是其高导电与高导热特性，用于热界面材料以及天线领域，此膜虽然已经完全实现商业化生产，但目前具有高导电高导热商业化产品还是以片材为主。虽然有卷材石墨烯膜，但采用的原料是石墨烯与胶粘剂复合使用或者石墨烯粉末采用等静压方式制备，两者都性能低下，无法满足一些高端应用前景，特别是在天线领域，需要导电在105S/m以上。想要得到满足高导电高导热要求的石墨烯膜，目前的方法为采用氧化石墨烯为前驱体进行涂布、烧结、压延制备，而氧化石墨烯膜在烧结过程中会产生纵向膨胀，横向收缩的问题，故只能做片材，卷材制备时必会发生开裂现象，从而限制了生产效率和成本，这也是高导电高导热卷材石墨烯无法商业化的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高导电高导热卷材石墨烯膜及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将2-15重量份的氧化石墨烯、0.1-15重量份的石墨烯与70-97.9重量份的水混合均匀，再采用分散法分散均匀，得到寡层氧化石墨烯-石墨烯水性浆料；
步骤2、将寡层氧化石墨烯-石墨烯水性浆料采用涂布方式涂布烘干成厚度在10-1000μm的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤3、将上一步制备得到的氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤4、将内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜的氧化石墨烯-石墨烯膜在300℃-1500℃进行预处理，去除部分含氧基团，将氧化石墨烯-石墨烯膜碳氧比提高到4以上，得到高碳氧比内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤5、将高碳氧比内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜放入高温炉中，采用梯度升温至2300℃-3000℃，全程保持真空或惰性气体保护，处理后去除内束缚石墨筒芯、外束缚石墨筒芯和天然石墨卷材，得到低膨胀低密度卷材石墨烯膜；
步骤6、将低膨胀低密度卷材石墨烯膜经压延机压延得到表面平整的高导电高导热卷材石墨烯膜。
进一步的，所述氧化石墨烯为氧化石墨滤饼、氧化石墨烯浆料和氧化石墨烯粉料中的任意一种或多种的混合物。
进一步的，所述石墨烯为还原氧化石墨烯、机械剥离石墨烯和化学合成石墨烯中的任意一种或多种的混合物。
进一步的，所述分散法为球磨、砂磨、微射流和高压均质中的任意一种或多种方法混用。
进一步的，所述涂布方法为刮涂、平涂、辊涂、转移涂布和狭缝挤出涂布中的任意一种或几种方法的混用。
进一步的，所述高导电高导热卷材石墨烯膜的厚度为100-500微米。
进一步的，所述压延方法为滚压、平压和冲压中的任意一种或几种混合。
进一步的，所述内束缚石墨筒芯和外束缚石墨筒芯的厚度均为1-2厘米。
一种高导电高导热卷材石墨烯膜，由上述任一种方法制成。
本发明的有益效果为：本发明通过在氧化石墨烯浆料中添加部分石墨烯粉料，一方面提高氧化石墨烯-石墨烯水性浆料总的固含量，减少水的使用，大大提高烘干效率；另一方面从整体上提高了高氧化石墨烯-石墨烯膜的碳氧比，含氧基团的相对值降低，这样在烧结中，同等质量下逃逸气体减少，可以一定程度减少石墨化过程中石墨烯的膨化问题。
本发明在石墨化之前增加一个低温预还原过程，先将绝大部分的含氧基团通过预还原方式进行去除，预防膜的膨化。
本发明采用石墨卷材做支撑材料，内外石墨烯筒芯做束缚材料，两者相互作用，抑制石墨烯膜在烧结石墨化过程中的膨胀，而且给予石墨烯膜石墨化过程中一定的压力，更加利于石墨化。
本发明通过上述方法，可制备厚度为5-200微米，宽度为5-30厘米，长度为10-200米，密度为1.6-2.2g/cm3的卷材石墨烯膜，电导率大于1×105S/m，导热率大于1000W/m·K。
附图说明
图1是本发明的高导电高导热卷材石墨烯膜截面示意图。
附图中各标号代表的部件列表如下：
101、内束缚石墨筒芯；102、外束缚石墨筒芯；103、天然石墨卷材；104、氧化石墨烯-石墨烯膜。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本专利的描述中，术语“中间”、“上”、“下”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“粘结”、“连接”、“涂覆”、“叠层”、“固定”等表示相互连接关系用词应作广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将2-15重量份的氧化石墨烯、0.1-15重量份的石墨烯与70-97.9重量份的水混合均匀，再采用分散法分散均匀，得到寡层氧化石墨烯-石墨烯水性浆料；
步骤2、将寡层氧化石墨烯-石墨烯水性浆料采用涂布方式涂布烘干成厚度在10-1000μm的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤3、将上一步制备得到的氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤4、将内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜的氧化石墨烯-石墨烯膜在300℃-1500℃进行预处理，去除部分含氧基团，将氧化石墨烯-石墨烯膜碳氧比提高到4以上，得到高碳氧比内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤5、将高碳氧比内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜放入高温炉中，采用梯度升温至2300℃-3000℃，全程保持真空或惰性气体保护，处理后去除内束缚石墨筒芯、外束缚石墨筒芯和天然石墨卷材，得到低膨胀低密度卷材石墨烯膜；
步骤6、将低膨胀低密度卷材石墨烯膜经压延机压延得到表面平整的高导电高导热卷材石墨烯膜。
作为一种实施方式，所述氧化石墨烯为氧化石墨滤饼、氧化石墨烯浆料和氧化石墨烯粉料中的任意一种或多种的混合物。
作为一种实施方式，所述石墨烯为还原氧化石墨烯、机械剥离石墨烯和化学合成石墨烯中的任意一种或多种的混合物。
作为一种实施方式，所述分散法为球磨、砂磨、微射流和高压均质中的任意一种或多种方法混用。
作为一种实施方式，所述涂布方法为刮涂、平涂、辊涂、转移涂布和狭缝挤出涂布中的任意一种或几种方法的混用。
作为一种实施方式，所述高导电高导热卷材石墨烯膜的厚度为100-500微米。
作为一种实施方式，所述压延方法为滚压、平压和冲压中的任意一种或几种混合。
作为一种实施方式，所述内束缚石墨筒芯和外束缚石墨筒芯的厚度均为1-2厘米。
一种高导电高导热卷材石墨烯膜，由上述方法制成。
实施例1
按重量百分比称取4％氧化石墨烯，0.6％的石墨烯，95.4％的去离子水初步混合搅拌，搅拌分散均匀后，采用高压均质进一步均质分散，再采用刮涂法制备厚度在100微米的氧化石墨-石墨烯膜，先采用100微米石墨卷材与氧化石墨-石墨烯膜同步绕卷束缚，即将氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜，再在60-500℃区间采用梯度升温将氧化石墨烯膜碳氧比提高到4以上，将处理好的氧化石墨-石墨烯膜放入高温石墨炉中，在氩气保护条件下，升温到2800℃进行石墨化，经充分石墨化后得到微膨胀的石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8g/cm3，厚度为20微米的石墨烯散热膜，导热系数可达1330w/m·k，电导率高达1.3×105S/m。
实施例2
按重量百分比称取4％氧化石墨烯滤饼，1.2％的石墨烯，94.8％的去离子水初步混合搅拌，搅拌分散均匀后，采用高压均质机进一步均质分散，再采用狭缝挤出涂布法制备厚度在80微米的氧化石墨-石墨烯膜，先采用200微米石墨卷材与氧化石墨-石墨烯膜同步绕卷束缚，即将氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜，再在60-500℃采用梯度升温将氧化石墨烯膜碳氧比提高到4以上，将处理好的氧化石墨-石墨烯膜放入高温石墨炉中，在氩气保护条件下，升温到2850℃进行石墨化，经充分石墨化后得到微膨胀的石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.9g/cm3，厚度为16微米的石墨烯散热膜，导热系数可达1410w/m·k，电导率高达1.7×105S/m。
实施例3
按重量百分比称取3％氧化石墨烯粉料，0.45％的石墨烯，96.55％的去离子水初步混合搅拌，搅拌分散均匀后，采用砂磨机进一步均质分散，再采用刮涂法制备厚度在100微米的氧化石墨-石墨烯膜，先采用300微米石墨卷材与氧化石墨-石墨烯膜同步绕卷束缚，即将氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜，再在60-500℃采用梯度升温将氧化石墨烯膜碳氧比提高到4以上，将处理好的氧化石墨-石墨烯膜放入高温石墨炉中，在氩气保护条件下，升温到2800℃进行石墨化，经充分石墨化后得到微膨胀的石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8g/cm3，厚度为20微米的石墨烯散热膜，导热系数可达1260w/m·k，电导率高达1.1×105S/m。
实施例4
按重量百分比称取3％氧化石墨烯浆料，0.45％的石墨烯，96.55％的去离子水初步混合搅拌，搅拌分散均匀后，再采用砂磨机进一步均质分散，再采用刮涂法制备厚度在75微米的氧化石墨-石墨烯膜，先采用500微米石墨卷材与氧化石墨-石墨烯膜同步绕卷束缚，即将氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜，再在60-500℃采用梯度升温将氧化石墨烯膜碳氧比提高到4以上，将处理好的氧化石墨-石墨烯膜放入高温石墨炉中，在氩气保护条件下，升温到2900℃进行石墨化，经充分石墨化后得到微膨胀的石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8g/cm3，厚度为15微米的石墨烯散热膜，导热系数可达1450w/m·k，电导率高达2.1×105S/m。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)
1.高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将2-15重量份的氧化石墨烯、0.1-15重量份的石墨烯与70-97.9重量份的水混合均匀，再采用分散法分散均匀，得到寡层氧化石墨烯-石墨烯水性浆料；
步骤2、将寡层氧化石墨烯-石墨烯水性浆料采用涂布方式涂布烘干成厚度在10-1000μm的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤3、将上一步制备得到的氧化石墨烯-石墨烯膜进行修边处理后，与同等宽度天然石墨卷材叠放在一起，作为整体卷材卷绕在内束缚石墨筒芯上，然后在整体卷材外侧再卷绕一层外束缚天然石墨卷材，得到内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤4、将内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜在300℃-1500℃进行预处理，去除部分含氧基团，将氧化石墨烯-石墨烯膜碳氧比提高到4以上，得到高碳氧比内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜；
步骤5、将高碳氧比内外石墨束缚的氧化石墨烯-石墨烯膜放入高温炉中，采用梯度升温至2300℃-3000℃，全程保持真空或惰性气体保护，处理后去除内束缚石墨筒芯、外束缚石墨筒芯和天然石墨卷材，得到低膨胀低密度卷材石墨烯膜；
步骤6、将低膨胀低密度卷材石墨烯膜经压延机压延得到表面平整的高导电高导热卷材石墨烯膜。
2.根据权利要求1所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯为氧化石墨滤饼、氧化石墨烯浆料和氧化石墨烯粉料中的任意一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述石墨烯为还原氧化石墨烯、机械剥离石墨烯和化学合成石墨烯中的任意一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述分散法为球磨、砂磨、微射流和高压均质中的任意一种或多种方法混用。
5.根据权利要求1所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述涂布方法为刮涂、平涂、辊涂、转移涂布和狭缝挤出涂布中的任意一种或几种方法的混用。
6.根据权利要求1所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述高导电高导热卷材石墨烯膜的厚度为100-500微米。
7.根据权利要求1所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述压延方法为滚压、平压和冲压中的任意一种或几种混合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的高导电高导热卷材石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述内束缚石墨筒芯和外束缚石墨筒芯的厚度均为1-2厘米。
9.一种高导电高导热卷材石墨烯膜，其特征在于，由上述1-8中任一种方法制成。
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