CN113068280B - 一种石墨烯发热膜及其制备方法与应用 - Google Patents

一种石墨烯发热膜及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种石墨烯发热膜及其制备方法与应用。石墨烯发热膜包含石墨烯油墨层，石墨烯油墨层包含：石墨烯、助剂、高长径比导电填料和分散介质；其中，分散介质选自低沸点溶剂，高长径比导电填料选自长径比大于1500的导电填料，助剂为纤维素类物质。采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案；将图案化的聚酰亚胺薄膜经退火处理；在图案两端贴上铜箔作为电极，用热塑性薄膜在一定温度和压力下塑封，得到石墨烯发热膜。该石墨烯发热膜由少层的石墨烯和具有长径比的导电填料构成，具有优异的电导率和高的发热效率。本发明提供的石墨烯发热膜的制备方法具有绿色环保、工艺简单、适用性广等特点，适合于工业化生产。

Description

一种石墨烯发热膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于发热膜技术领域，具体涉及一种石墨烯发热膜及其制备方法与应用。
背景技术
石墨烯是由碳原子以sp2杂化方式共价键连接形成的蜂窝状结构的二维晶体材料，具有大的比表面积、优异的力学性能、高的电导率和导热系数等优点，在催化、能源及生物医疗等领域具有广阔的应用前景。
近年来，石墨烯的制备技术迅猛发展，包括两种：自下而上法和自上而下法。自下而上法主要包括化学气相沉积法、碳化硅外延生长法、有机合成法、溶剂热法、化学气相沉积法和外延生长相结合的方法等。自上而下法主要包括微机械力剥离法、液相剥离法、电化学法、球磨法、氧化还原法和激光诱导法等。其中，自上而下法由于原料来源广泛、制备简单、条件温和、对设备要求低等优势而得到广泛关注。尽管如此，该方法尚存在产率低、耗时长、剥离程度有限等系列问题。
传统的电阻丝发热膜，存在发热不均匀、电热转化效率低、安全隐患等缺陷，正逐步被人淘汰。新兴的石墨烯作为电和热的良导体，是制备发热膜的理想材料。它不同于电阻丝发热膜，石墨烯发热膜是以整个膜为加热面，加热更加迅速、温度更加均衡。一方面，石墨烯作为导电介质，结合粘结剂等构成电阻部分，在通电后产生热量；另一方面，石墨烯作为传热介质，在发热膜产热后能快速地将热量传递至温度不均衡部位。
尽管如此，但由于石墨烯片层之间具有较强的π-π相互作用，剥离后容易发生再堆叠形成多层，从而劣化了石墨烯的性能。现有技术中，通过对石墨烯改性可以改善石墨烯再堆叠的情况，但由于改性剂的引入，隔绝了石墨烯之间的相互接触，很大程度上抑制了其导热、导电性能的发挥。因此，如何高效制备高质量的石墨烯，且避免在使用过程中发生堆叠而充分发挥石墨烯的性能仍是一个富有挑战性且有重要意义的课题。
发明内容
本发明提供一种石墨烯发热膜，其包含石墨烯油墨层，优选为丝网印刷的石墨烯油墨层；所述石墨烯油墨层包含：石墨烯、助剂、高长径比导电填料和分散介质；
其中，所述分散介质可以选自低沸点溶剂，例如选自沸点30-100℃的溶剂，示例性选自甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯和水中的至少一种；
所述高长径比导电填料可以选自长径比大于1500，例如长径比介于2000-10000之间、示例性为1500、4000、8000的导电填料；例如所述高长径比导电填料可以选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和银纳米线等中的至少一种；示例性为多壁碳纳米管和/或银纳米线；
所述助剂为纤维素类物质。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨层由石墨烯油墨制备得到。
根据本发明的实施方案，以重量份计，所述石墨烯油墨中含石墨烯10-80份、助剂1-30份和高长径比导电填料0.1-10份。例如，所述石墨烯的含量为20-60份，示例性为20份、30份、50份。例如，所述助剂的含量为5-25份，示例性为5份、10份、20份。例如，所述高长径比导电填料的含量为0.5-8份、1-5份。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨中，石墨烯的含量为10-80mg/mL，例如20-60mg/mL，示例性为20mg/mL、30mg/mL、50mg/mL。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯的层数为1-10层，例如为1-5层。
根据本发明的实施方案，所述纤维素类物质为非离子型纤维素类物质，例如可以选自乙基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素和硝化纤维素中的至少一种，优选为乙基纤维素、羟乙基纤维素和硝化纤维素中的至少一种。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨中，所述助剂的含量为1-30mg/mL，例如5-25mg/mL，示例性为5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨中，所述高长径比导电填料的质量含量为0.1-10mg/mL，例如为0.5-8mg/mL，1-5mg/mL。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨的粘度为2000-15000mPa·S，例如3000-12000mPa·S，示例性为3000mPa·S、5000mPa·S、12000mPa·S。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨的制备原料包括石墨、助剂、高长径比导电填料和分散介质，所述石墨可以选自鳞片状石墨和膨胀石墨中的至少一种，例如天然鳞片状石墨或蠕虫状膨胀石墨。进一步地，所述石墨的形态为粉体，例如石墨粉的目数为80-1000目，例如200-800目，示例性为80目、300目或600目。其中，所述助剂、分散介质和高长径比导电填料均具有如上文所述的含义。进一步地，在制备原料中，助剂的含量为1-30mg/mL，例如5-25mg/mL，示例性为5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL。进一步地，在制备原料中，石墨的含量为10-80mg/mL，例如20-60mg/mL，示例性为20mg/mL、40mg/mL、50mg/mL、80mg/mL。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨可以由包括下述步骤的制备方法制备得到：
(S1)将石墨加入到助剂/分散介质溶液中，得到石墨分散液；
(S2)对所述石墨分散液进行均质乳化剪切混合，得到预处理的石墨分散液；
(S3)将所述预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机内进行高压剥离和分散，而后加入高长径比导电填料，继续对体系进行高压剥离和分散，得到石墨烯油墨。
根据本发明的实施方案，所述石墨、助剂、分散介质和高长径比导电填料均具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，步骤(S1)中，所述助剂/分散介质溶液中，助剂的含量为1-30mg/mL，例如5-25mg/mL，示例性为5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL。
根据本发明的实施方案，步骤(S1)中，所述石墨分散液中，石墨的含量为10-80mg/mL，例如20-60mg/mL，示例性为20mg/mL、30mg/mL、50mg/mL。
根据本发明的实施方案，步骤(S2)中，所述剪切混合的转速为500-10000rpm，例如1000-6000rpm，示例性为500rpm、5000rpm或10000rpm。进一步地，所述剪切混合的时间为30-180分钟，例如40-100分钟，示例性为30分钟或60分钟。
根据本发明的实施方案，步骤(S3)中，对预处理的石墨分散液的高压剥离和分散过程可以包括：先将预处理的石墨分散液通过200-450μm喷嘴循环5-20次，压强为2000-15000psi；再将其以流速150-800m/s(示例性为150m/s、300m/s、800m/s)通过100-200μm喷嘴循环5-40次，压强为15000-35000psi。例如，先将预处理的石墨分散液通过250-400μm喷嘴(示例性为250μm喷嘴、300μm喷嘴或400μm喷嘴)循环5-15次(示例性循环5次、10次或15次)，压强为3000-10000psi(示例性为3000psi、5000psi、6000psi、8000psi或10000psi)；再将其通过100-200μm喷嘴(示例性为100μm喷嘴、150μm喷嘴或200μm喷嘴)循环10-35次(示例性循环15次、20次或35次)，压强为20000-30000psi(示例性为20000psi、25000psi或30000psi)。
根据本发明的实施方案，步骤(S3)中，加入高长径比导电填料后的高压剥离和分散过程包括：200-600μm喷嘴循环1-10次，压强为800-4500psi；例如，300-500μm喷嘴(示例性为300μm喷嘴、400μm喷嘴或500μm喷嘴)循环1-5次(示例性为循环1次、3次或5次)，压强为1000-4000psi(示例性为1000psi、2000psi、2500psi或4000psi。
进一步地，在上述高压剥离和分散过程中，通过喷嘴的液体的流速为150-800m/s，例如200-600m/s，示例性为150m/s、300m/s或800m/s。
根据本发明的实施方案，步骤(S3)中，所述高长径比导电填料的加入量为石墨质量的0.5-10％，例如0.5-10％，示例性为0.5％、5％、10％。
根据本发明的实施方案，所述分散介质和高长径比导电填料具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯油墨的制备方法包括如下步骤：
(S1)将分散介质和助剂混合搅拌，配制浓度为5-20mg/mL的助剂/分散介质溶液；将80-1000目石墨加入到上述助剂/分散介质溶液中，配制浓度为20-80mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以500-10000rpm转速将石墨分散液剪切混合30-180分钟，得到预处理的石墨分散液；
(S2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先通过250-400μm喷嘴循环5-15次，压强为3000-10000psi；再通过100-200μm喷嘴循环10-35次，压强为20000-30000psi；最后加入质量分数0.1-0.5％石墨质量的高长径比导电填料，通过300-500μm喷嘴循环1-5次，压强为1000-4000psi；经过高压泵的高压剥离和分散，得到所述石墨烯油墨。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜还包括基片，所述石墨烯油墨层印刷在所述基片上。例如，所述基片为至少耐200℃(例如耐200-450℃、耐250-400℃)的材料，比如可以为聚酰亚胺薄膜、高温硅胶。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜还包括塑封膜，所述塑封膜包裹在含石墨烯油墨层的基片外部。例如，所述塑封膜的材质为热塑性薄膜，例如PE膜、PET膜或PVC膜。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜还包括电极，所述电极与所述石墨烯油墨层连接。优选地，所述电极设置在所述石墨烯油墨层的两端。进一步地，所述电极的材质可以为铜箔或银浆。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜的厚度为20-40μm，例如25-35μm，示例性为30μm。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜的电阻为1-6Ω，例如1.5-5Ω，示例性为2.6Ω、4.0Ω。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜耐至少耐70℃，例如耐85℃，示例性地耐88.4℃、115.3℃、142.5℃。
本发明还提供上述石墨烯发热膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用丝网印刷法将石墨烯油墨在基片上印制图案，对图案化的基片进行退火处理；
(2)在图案两端设置电极，用热塑性薄膜对图案化的基片进行塑封，得到所述石墨烯发热膜。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述丝网印刷的操作为本领域已知操作。其中，在丝网印刷之前，可以对所述基片至于乙醇介质中超声处理，例如超声至少10分钟，示例性地超声20分钟。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述退火处理的温度为200-450℃，例如250-400℃，示例性为250℃、350℃或400℃。进一步地，所述退火处理的时间可以为5-90分钟，例如10-60分钟，示例性为10分钟、30分钟或60分钟。
根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述热塑性膜具有如上文所述的含义。
根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述塑封的温度为30-150℃，例如50-120℃，示例性为50℃、80℃、100℃或120℃。进一步地，所述塑封的压力为1-6MPa，例如1-4MPa，示例性为1MPa、2MPa或4MPa。进一步地，所述塑封的时间为1-10分钟，例如1-6分钟，示例性为1分钟、2分钟、3分钟、5分钟或6分钟。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯发热膜的制备方法包括如下步骤：
采用丝网印刷法将石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案，对图案化的聚酰亚胺薄膜进行250-400℃退火处理，退火时间为10-60分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用热塑性薄膜对图案化的聚酰亚胺薄膜进行塑封，塑封温度为50-120℃，压力为1-4MPa，时间为1-6分钟)，得到所述石墨烯发热膜。
本发明还提供上述制备方法得到的石墨烯发热膜。
本发明还提供所述石墨烯发热膜在电加热元器件中的应用。
本发明的有益效果：
本发明提供一种绿色环保、可大批量生产、高电导率的石墨烯发热膜及其制备方法与应用。具体地，具有以下七个方面的优点；
1)本发明从石墨出发，利用高压微射流，一步制备石墨烯油墨。一方面，无需采用强氧化性化学试剂处理石墨，保证了制备的石墨烯具有完整的结构，能充分发挥其优异的导电性能；另一方面，在剥离过程中不引入其它杂质，不需要进行纯化处理，不仅简化了制备的工序，而且绿色环保。
2)本发明选用环境友好的乙基纤维素、羟乙基纤维素、硝化纤维素等作为剥离助剂、分散剂、粘度调节剂和粘结剂，不仅有利于石墨的剥离，还保证了石墨烯分散液的稳定性。乙基纤维素经退火处理，形成了具有芳香类的聚合物，能与石墨烯形成π-π键堆叠(图4)，不仅避免了石墨烯之间的再次堆叠，而且提供了更多的电荷通路，从而降低了电阻。
3)本发明以优异耐温的聚酰亚胺薄膜或高温硅胶等作为石墨烯油墨的载体，确保了石墨烯发热膜在退火处理过程中不会被破坏。
4)导电粒子形成的导电网络关系到石墨烯发热膜的导电能力，进而影响最终的发热效率。高长径比的导电填料，能够在较低的添加量下，有效地增加导电粒子空间接触的机会，更易形成通路，从而获得更低的电阻率。本发明添加了具有高长径比的导电填料，并采用高压微射流设备进行了分散。不同于现有技术超声、搅拌的分散方式，高压微射流能使高长径比的导电填料充分地分散在石墨烯油墨中，从而获得高发热效率的石墨烯发热膜。
5)本发明在石墨烯薄膜塑封过程中加载了一定压力，可减小石墨烯片层之间、石墨烯与长径比导电填料之间的距离，从而减少了接触电阻，进一步提高了发热膜的电导率。
6)本发明结合了丝网印刷技术的要求，开发了适合丝网印刷用的石墨烯油墨。一方面，可通过在丝网的印刷区设计特定的图案，实现电路图案化定制印刷。该技术具有设备成本非常低廉、操作简单、易放大生产和特殊图案化定制设计的优势。
7)本发明提供的石墨烯发热膜的制备方法具有绿色环保、工艺简单、适用性广等特点，适合于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的石墨烯发热膜的数码照片。
图2是本发明对比例1中石墨烯油墨的拉曼光谱图。
图3本发明实施例2和对比例4制备的石墨烯发热膜的扫描电镜图。
图4本发明乙基纤维素及其在250℃、350℃下的红外光谱图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
(1)将乙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为10mg/mL的乙基纤维素/乙醇溶液；将300目鳞片状石墨加入到上述乙基纤维素/乙醇溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速300m/s通过300μm喷嘴循环10次，压强为8000psi；再以流速300m/s通过100μm喷嘴循环35次，压强为30000psi；最后加入为石墨质量5％的多壁碳纳米管(长径比为4000)，以流速300m/s通过300μm喷嘴循环5次，压强为4000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经350℃退火处理，退火时间为30分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜进行塑封，塑封温度为120℃，压力为2MPa，时间为3分钟，得到石墨烯发热膜，其数码照片如图1所示。
实施例2
(1)将乙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为10mg/mL的乙基纤维素/乙醇溶液；将300目膨胀石墨加入到上述乙基纤维素/乙醇溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速300m/s通过300μm喷嘴循环10次，压强为8000psi；再以流速300m/s通过100μm喷嘴循环35次，压强为30000psi；最后加入为石墨质量5％的多壁碳纳米管(长径比为4000)，以流速300m/s通过300μm喷嘴循环5次，压强为4000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经350℃退火处理，退火时间为30分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜进行塑封，塑封温度为120℃，压力为2MPa，时间为3分钟，得到石墨烯发热膜，其扫描电镜图如图3所示。
实施例3
(1)将乙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为10mg/mL的乙基纤维素/乙醇溶液；将600目膨胀石墨加入到上述乙基纤维素/乙醇溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以500rpm转速将石墨分散液剪切混合180分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速150m/s通过250μm喷嘴循环5次，压强为6000psi；再以流速800m/s通过150μm喷嘴循环20次，压强为20000psi；最后加入为石墨质量0.5％的单壁碳纳米管(长径比为1500)，以流速150m/s通过400μm喷嘴循环1次，压强为1000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有单壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为3000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在高温硅胶上印制图案(印刷之前，高温硅胶用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的高温硅胶经250℃退火处理，退火时间为60分钟；在图案两端涂覆银浆作为电极，用PVC膜进行塑封，塑封温度为50℃，压力为4MPa，时间为6分钟，得到石墨烯发热膜。
实施例4
(1)将甲醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为5mg/mL的乙基纤维素/甲醇溶液；将80目膨胀石墨加入到上述乙基纤维素/甲醇溶液中，配制浓度为20mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以500rpm转速将石墨分散液剪切混合180分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速800m/s通过250μm喷嘴循环5次，压强为3000psi；再以流速800m/s通过150μm喷嘴循环20次，压强为20000psi；最后加入为石墨质量0.5％的单壁碳纳米管(长径比为8000)，以流速150m/s通过500μm喷嘴循环5次，压强为1000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有单壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为12000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经250℃退火处理，退火时间为60分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PVC膜进行塑封，塑封温度为50℃，压力为4MPa，时间为1分钟，得到石墨烯发热膜。
实施例5
(1)将异丙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为20mg/mL的乙基纤维素/异丙醇溶液；将1000目鳞片状石墨加入到上述乙基纤维素/异丙醇溶液中，配制浓度为80mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以10000rpm转速将石墨分散液剪切混合30分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速为300m/s通过400μm喷嘴循环5次，压强为3000psi；再以流速为300m/s通过200μm喷嘴循环10次，压强为20000psi；最后加入为石墨质量10％的银纳米线(长径比为4000)，以流速为300m/s通过500μm喷嘴循环3次，压强为1000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有银纳米线的石墨烯油墨，其粘度为12000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经250℃退火处理，退火时间为10分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PE膜进行塑封，塑封温度为100℃，压力为1MPa，时间为6分钟，得到石墨烯发热膜。
实施例6
(1)将水和羟乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为20mg/mL的羟乙基纤维素/水溶液；将300目膨胀石墨加入到上述羟乙基纤维素/水溶液中，配制浓度为20mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速为150m/s通过300μm喷嘴循环15次，压强为10000psi；再以流速为150m/s通过200μm喷嘴循环20次，压强为25000psi；最后加入为石墨质量10％的银纳米线(长径比为1500)，以流速为150m/s通过400μm喷嘴循环5次，压强为2500psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有银纳米线的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在高温硅胶上印制图案(印刷之前，高温硅胶用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的高温硅胶经250℃退火处理，退火时间为10分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PE膜进行塑封，塑封温度为100℃，压力为2MPa，时间为3分钟，得到石墨烯发热膜。
实施例7
(1)将质量比1：1的乙醇、乙酸乙酯混合液和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为20mg/mL的乙基纤维素/混合液溶液；将80目鳞片状石墨加入到上述乙基纤维素/混合液溶液中，配制浓度为20mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以10000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速为800m/s通过250μm喷嘴循环15次，压强为3000psi；再以流速为800m/s通过100μm喷嘴循环20次，压强为20000psi；最后加入为石墨质量5％的多壁碳纳米管(长径比为4000)，以流速为800m/s通过400μm喷嘴循环5次，压强为2500psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为3000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经400℃退火处理，退火时间为60分钟；在图案两端涂覆银浆作为电极，用PET膜进行塑封，塑封温度为120℃，压力为2MPa，时间为3分钟，得到石墨烯发热膜。
实施例8
(1)将乙酸乙酯和硝化纤维素混合搅拌，配制浓度为20mg/mL的硝化纤维素/乙酸乙酯溶液；将质量比1：1的300目鳞片状石墨和300目膨胀石墨加入到上述硝化纤维素/乙酸乙酯溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速为150m/s通过300μm喷嘴循环5次，压强为10000psi；再以流速为300m/s通过150μm喷嘴循环20次，压强为20000psi；最后加入为石墨质量0.1％的多壁碳纳米管(长径比为4000)和石墨质量0.5％的银纳米线(长径比为1500)，以流速为800m/s通过500μm喷嘴循环3次，压强为1000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管和银纳米线的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经350℃退火处理，退火时间为30分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜进行塑封，塑封温度为100℃，压力为2MPa，时间为6分钟，得到石墨烯发热膜。
对比例1
(1)将乙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为10mg/mL的乙基纤维素/乙醇溶液；将300目鳞片状石墨加入到上述乙基纤维素/乙醇溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速300m/s通过300μm喷嘴循环10次，压强为8000psi；再以流速300m/s通过100μm喷嘴循环35次，压强为30000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。如图2所示，由高压微射流制备的石墨烯，其D峰和G峰的比值为0.55，且2D峰为尖锐的单峰，可以判断所制备的石墨烯的层数在1-5层之间，具有很好的剥离效果。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经350℃退火处理，退火时间为30分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜进行塑封，塑封温度为120℃，压力为2MPa，时间为3分钟，得到石墨烯发热膜。
对比例2
(1)将300目膨胀石墨加入到乙醇中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速300m/s通过300μm喷嘴循环10次，压强为8000psi；再以流速300m/s通过100μm喷嘴循环35次，压强为30000psi；最后加入质量分数为5％石墨质量5％的多壁碳纳米管(长径比为4000)，以流速300m/s通过300μm喷嘴循环5次，压强为4000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。石墨烯油墨的拉曼光谱图如图2所示。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经350℃退火处理，退火时间为30分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜在一定温度和压力下进行塑封，塑封(温度为120℃，压力为2MPa，时间为3分钟)，得到石墨烯发热膜。
对比例3
(1)将乙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为10mg/mL的乙基纤维素/乙醇溶液；将300目膨胀石墨加入到上述乙基纤维素/乙醇溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速300m/s通过300μm喷嘴循环10次，压强为8000psi；再以流速300m/s通过100μm喷嘴循环35次，压强为30000psi；最后加入为石墨质量0.55％的多壁碳纳米管(长径比为4000)，以流速300m/s通过300μm喷嘴循环5次，压强为4000psi。经过高压泵的高压剥离和、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜在一定温度和压力下进行塑封，塑封(温度为120℃，压力为2MPa，时间为3分钟)，得到石墨烯发热膜。
对比例4
(1)将乙醇和乙基纤维素混合搅拌，配制浓度为10mg/mL的乙基纤维素/乙醇溶液；将300目膨胀石墨加入到上述乙基纤维素/乙醇溶液中，配制浓度为50mg/mL的石墨分散液；使用均质乳化机以5000rpm转速将石墨分散液剪切混合60分钟，得到预处理的石墨分散液。
(2)将预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机进料杯，先以流速300m/s通过300μm喷嘴循环10次，压强为8000psi；再以流速300m/s通过100μm喷嘴循环35次，压强为30000psi；最后加入质量分数5％石墨质量的多壁碳纳米管(长径比为4000)，以流速300m/s通过300μm喷嘴循环5次，压强为4000psi。经过高压泵的高压剥离、分散和加热浓缩后，得到含有多壁碳纳米管的石墨烯油墨，其粘度为5000mPa·S。其拉曼光谱图如图2所示。
(3)采用丝网印刷法将得到的石墨烯油墨在聚酰亚胺薄膜上印制图案(印刷之前，聚酰亚胺薄膜用乙醇为介质超声处理20分钟)；将图案化的聚酰亚胺薄膜经350℃退火处理，退火时间为30分钟；在图案两端贴上铜箔作为电极，用PET膜进行塑封，塑封温度为120℃，时间为3分钟，得到石墨烯发热膜，其扫描电镜图如图3所示。
从图3数据可以看出，实施例2制备的石墨烯发热膜经过一定机械力处理，其表面更平整、密实，石墨烯片层之间接触更加紧密。
对实施例1-2和对比例1-4得到的石墨烯发热膜进行发热情况测试，测试过程：将得到的石墨烯发热膜加载电压，观察发热膜的发热情况，包括发热膜达到70℃的时间，最高可达到的温度。测试之前，先测试发热膜的电阻。测试结果如表1所示。
表1石墨烯发热膜的发热情况
Figure BDA0002353812850000161
从表1数据可以看出，添加助剂和高长径比导电填料、退火处理、施加一定机械压力，均有利于获得更低的电阻，从而在更短的时间内，获得更高的温度，即更高的发热效率。
从图4可以看出，乙基纤维素退火之后，形成了含有羰基、碳碳双键的芳香族化合物，能与石墨烯形成π-π键堆叠，不仅避免了石墨烯之间的再次堆叠，而且提供了更多的电荷通路，从而降低了石墨烯发热膜的电阻。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种石墨烯发热膜的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜包含石墨烯油墨层，所述石墨烯油墨层包含：石墨烯、助剂、高长径比导电填料和分散介质，所述石墨烯油墨层由石墨烯油墨制备得到，以重量份计，所述石墨烯油墨中含石墨烯10-80份、助剂1-30份和高长径比导电填料0.1-10份；所述石墨烯油墨中，所述高长径比导电填料的质量含量为0.1-10mg/mL；
其中，所述分散介质选自沸点30-100℃的溶剂，所述高长径比导电填料选自长径比大于1500的导电填料，所述助剂为乙基纤维素；所述导电填料选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和银纳米线中的至少一种，所述乙基纤维素与石墨烯形成π-π键堆叠，所述导电填料填充在石墨烯形成的导电网络中；
石墨烯油墨的制备方法包括：
（S1）将石墨加入到助剂/分散介质溶液中，得到石墨分散液；
（S2）对所述石墨分散液进行均质乳化剪切混合，得到预处理的石墨分散液；
（S3）将所述预处理的石墨分散液加入高压微射流均质机内进行高压剥离和分散，而后加入高长径比导电填料，继续对体系进行高压剥离和分散，得到石墨烯油墨；
所述石墨烯发热膜的制备方法包括：
（1）采用丝网印刷法将石墨烯油墨在基片上印制图案，对图案化的基片进行退火处理；
（2）在图案两端设置电极，用热塑性薄膜对图案化的基片进行塑封，得到所述石墨烯发热膜；
所述石墨选自鳞片状石墨和膨胀石墨中的至少一种；
步骤（1）中，所述退火处理的温度为200-450℃，所述退火处理的时间可以为5-90分钟；
步骤（2）中，所述塑封的温度为30-150℃，所述塑封的时间为1-10分钟，塑封的压力为1-6MPa；
步骤(S3)中，对预处理的石墨分散液的高压剥离和分散过程包括：先将预处理的石墨分散液通过200-450μm喷嘴循环5-20次，压强为2000-15000psi；再将其以流速150-800m/s通过100-200μm喷嘴循环5-40次，压强为15000-35000psi；
步骤(S3)中，加入高长径比导电填料后的高压剥离和分散过程包括：200-600μm喷嘴循环1-10次，压强为800-4500psi；
在上述高压剥离和分散过程中，通过喷嘴的液体的流速为150-800m/s；
步骤(S3)中，所述高长径比导电填料的加入量为石墨质量的5-10％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散介质为甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯和水中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高长径比导电填料选自长径比介于2000-10000之间的导电填料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的层数为1-10层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的层数为1-5层。
6.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯油墨中，所述助剂的含量为1-30mg/mL。
7.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯油墨的粘度为2000-15000mPa·S。
8.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨的含量为10-80mg/mL。
9.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜还包括基片，所述石墨烯油墨层印刷在所述基片上。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述基片为至少耐200℃的材料。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述基片为聚酰亚胺薄膜、高温硅胶。
12.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜还包括塑封膜，所述塑封膜包裹在含石墨烯油墨层的基片外部。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述塑封膜的材质为热塑性薄膜。
14.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜还包括电极，所述电极与所述石墨烯油墨层连接。
15.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜的厚度为20-40mm。
16.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜的电阻为1-6W。
17.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯发热膜耐至少耐70℃。
18.权利要求1-17任一项所述制备方法制备得到的石墨烯发热膜在电加热元器件中的应用。
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