CN113999493B - 一种高热导率复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高热导率复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113999493B
CN113999493B CN202111419389.XA CN202111419389A CN113999493B CN 113999493 B CN113999493 B CN 113999493B CN 202111419389 A CN202111419389 A CN 202111419389A CN 113999493 B CN113999493 B CN 113999493B
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene
sicnw
coupling agent
modified
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111419389.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113999493A (zh
Inventor
王富忠
王伯航
赵菲
周霖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qilu University of Technology
Original Assignee
Qilu University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qilu University of Technology filed Critical Qilu University of Technology
Priority to CN202111419389.XA priority Critical patent/CN113999493B/zh
Publication of CN113999493A publication Critical patent/CN113999493A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113999493B publication Critical patent/CN113999493B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/042—Graphene or derivatives, e.g. graphene oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02—Fibres or whiskers
    • C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
    • C08K7/10—Silicon-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/02—Ingredients treated with inorganic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04—Ingredients treated with organic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04—Ingredients treated with organic substances
    • C08K9/06—Ingredients treated with organic substances with silicon-containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/08—Ingredients agglomerated by treatment with a binding agent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/011—Nanostructured additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高热导率复合材料的制备方法，属于复合材料制备领域。所述方法包括以下步骤：S1.对石墨烯和SiCnw进行氧化处理；S2.对氧化石墨烯和氧化SiCnw分别进行偶联剂改性；S3.对偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw分别进行聚电解质改性；S4.通过自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜；通过浸渍工艺得到石墨烯/SiCnw/环氧树脂复合材料。和现有技术相比，本发明工艺简单，能够实现环氧树脂纳米复合材料的规模化制备，有利于推动环氧树脂纳米复合材料的使用；同时所制备的复合材料具有较高的机械性能和热导率，可以扩大环氧树脂的应用领域。

Description

一种高热导率复合材料的制备方法
技术领域
本发明公开了一种高热导率复合材料的制备方法，属于复合材料制备领域。
背景技术
随着信息技术的快速发展，电子设备逐渐向高频、高速以及集成电路的幂集合小型化转化。需要耐热性能好、膨胀系数低的高导热材料迅速将发热元器件热量传递给散热装置,保障电子设备正常运行。优异力学性能的环氧树脂基导热复合材料能很好地解决器件在不同的工作环境中仍能保持正常的散热问题。
环氧树脂因其低廉的成本和优良的电绝缘性、耐腐蚀性、粘结性等特点，被广泛运用于封装散热等领域。然而，纯环氧树脂的热导率较低，约为0.2W/m·K，难以满足导热要求，通常需要填充改性提升其导热性能。石墨烯具有高达5000W/m·K的热导率，被认为是最为理想的二维导热填料。特别是填料沿某些特定方向排列取向时，复合材料在特定方向上的导热性能得到显著增强。例如石墨烯薄膜在平面方向上拥有很高的热导率，但是在厚度方向上由于界面接触热阻的因素导致纵向热导率较低。
传统树脂基导热复合材料是只添加一种导热填料，所制备的复合材料的热导率提升程度有限。目前,相关研究表明,将石墨烯纳米片与其它导热填料混合填充聚合物,可以协同改善填充微粒在复合体系中的分散情况。促进连续的导热通路和高导热网络的形成，提高复合材料的热导率。
碳化硅纳米线(SiCnw)因具有导热性能好(～390W/m·K)、化学稳定性高、耐腐蚀以及力学性能高等一系列优异的性能，在复合材料增强、电子器件、显示器件等领域具有巨大的应用潜力；而且与相互缠结形态的碳纳米管相比，平直结构的一维SiCnw能够较容易地分散到树脂基体中，是制备多功能优异机械性能复合材料的理想一维纳米填料。
基于一维纳米材料和二维纳米材料间的协同效应及其独特的结构组合，有望赋予复合材料高效的导热网链。但是如何使纳米材料均匀分散在树脂中，有效地提高纳米材料与基体的界面结合以降低界面接触热阻，提高复合材料的机械性能和热导率成为本发明所要解决的一大难题。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种具有高热导率复合材料的制备方法。该方法利用真空辅助自组装法制备改性的复合预制体，解决纳米材料在环氧树脂中的团聚问题，增强纳米材料与环氧树脂的界面结合能力，提高复合材料的机械性能和热导率，实现了高性能环氧树脂纳米复合材料的规模化制备。
本发明的高热导率复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.以H2O2分别对石墨烯和SiCnw进行氧化处理，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw；
S2.氧化石墨烯和氧化SiCnw分别与硅烷偶联剂反应，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw；
S3.偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw分别加入聚电解质溶液中，反应得到聚电解质改性的石墨烯和聚电解质改性的SiCnw；
S4.步骤S3得到的改性石墨烯和改性SiCnw经超声处理得到石墨烯分散液和SiCnw分散液；石墨烯分散液和SiCnw分散液混合，通过自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜；复合薄膜经冷冻、干燥处理得到改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜；
S5.将步骤S4中改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜密封于真空袋中，将树脂与固化剂混合均匀配制胶液，通过浸渍工艺使胶液浸渍复合薄膜，加热固化后得到石墨烯/SiCnw/环氧树脂复合材料。
作为优选，步骤S1的具体方法为：称量一定量的石墨烯和SiCnw分别加入H2O2溶液中，经超声处理得到一定浓度的石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后分别在80～90℃下搅拌回流3～5h，经微孔滤膜过滤、蒸馏水洗涤、真空干燥，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw。
作为优选：
所述的石墨烯为单层或多层石墨烯，其平面直径为0.5～50μm；
所述的SiCnw为β型SiC，其直径为100～600nm，长度20～100μm；
所述H2O2的体积百分比浓度为20～40％，每1g石墨烯或SiCnw采用250-500ml H2O2进行氧化；
所述超声处理的功率为30～150W，优选为80～130W，时间为3～10min，优选为4～7min；
所述的分散液的浓度为1～10mg/ml；
真空干燥的条件为60～90℃下真空干燥10～15h。
作为优选，步骤S2的具体方法为：称取一定量的硅烷偶联剂加入到乙醇/水溶液中，室温搅拌30～60min，配制成一定浓度的硅烷偶联剂溶液，然后将步骤S1中的氧化石墨烯和氧化SiCnw分别加入硅烷偶联剂溶液中，60～80℃下搅拌2～5h，偶联反应后，经微孔滤膜过滤、蒸馏水洗涤、真空干燥，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw。
作为优选：
所述的硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂，为单氨基、双氨基、三氨基或者多氨基硅烷偶联剂中的一种或两种以上物质的混合物，如N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH791)、N-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷(KH792)、3-氨基丙基三甲氧基硅烷(KH540)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、N–(β氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KH602)中的一种或两种以上物质的混合物。
所述硅烷偶联剂溶液的浓度为1～5mg/ml，优选为1～3mg/ml。每1g石墨烯或SiCnw采用0.1-0.5g硅烷偶联剂进行偶联；
所述乙醇/水溶液的乙醇体积百分比浓度为90～99％，优选为93～97％。
作为优选：步骤S3的具体方法为：将一定量的聚电解质溶于甲醇溶液中，得到聚电解质溶液，然后将步骤S2中偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw分别加入聚电解质溶液中水浴超声5～30min，在室温下磁力搅拌12～36h后加入一定量氨基交联剂，继续在室温下搅拌20～50min；氨基交联后，经微孔滤膜过滤、蒸馏水洗涤、真空干燥，得到聚电解质改性的石墨烯和聚电解质改性的SiCnw。
作为优选：
所述的聚电解质为超支化聚乙烯亚胺，聚电解质溶液浓度为0.5～10mg/ml，优选为5-10mg/ml；
所述的氨基交联剂为戊二醛水溶液，戊二醛的质量分数为0.5～1.5wt.％，优选为0.8～1.2wt.％；
所述氨基交联剂的用量为石墨烯或者SiCnw质量的1/6～1/2。
作为优选，步骤S4的具体方法为：将步骤S3中的改性石墨烯和改性SiCnw分别加入去离子水中，超声处理5～20min(优选为5～10min)，得到分散液；将SiCnw分散液加入到石墨烯分散液中，配制成石墨烯/SiCnw混合分散液，超声分散3～10min后，通过自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜；复合薄膜经冷冻、干燥处理得到改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜。
作为优选：
所述分散液(指改性石墨烯分散液、改性SiCnw分散液和石墨烯/SiCnw混合分散液)的浓度为0.5～2mg/ml；
所述的自组装法为微孔滤膜真空辅助自组装法；
所述干燥处理在真空冷冻干燥机中进行，干燥时间为24～48h；
石墨烯/SiCnw复合薄膜中SiCnw的质量百分比含量优选为2～10％。
作为优选，步骤S5中：
所述的树脂为低粘度双酚A型环氧树脂；所述固化剂为液态胺类固化剂；环氧树脂与固化剂的质量比为(3～5):1。
所述浸渍工艺是指真空灌注工艺，条件为：45～55℃，真空度为0.01～0.1MPa，灌注时间为15～45min，石墨烯/SiCnw复合薄膜与胶液的质量比为1/4-1/2；
所述的加热固化条件为：75～85℃固化0.5～1.5h，然后升温至145～155℃固化1.2～2.5h。
与现有技术相比，本发明的高热导率复合材料的制备方法具有以下突出的有益效果：
①本发明通过对石墨烯和SiCnw改性后，采用简单的真空辅助自组装工艺制备了SiCnw均匀穿插分布于石墨烯片层间的石墨烯/SiCnw复合薄膜，石墨烯和SiCnw以复合薄膜的形式作为增强改性材料与环氧树脂复合，有效解决了树脂中GnP和SiCnw的团聚问题；
②本发明的改性石墨烯/SiCnw复合预制体在适宜的条件下能够完全被环氧树脂浸润，与低成本高性能的真空灌注工艺的适应性比较好，可采用真空灌注工艺浸润复合预制体制备环氧树脂纳米复合材料，可以实现环氧树脂纳米复合材料的规模化制备；
③SiCnw的引入在复合材料在厚度方向上有效建立了热传导网路，同时纳米材料表面的改性提高了与基体的界面结合，明显降低了界面接触热阻，有利于声子的传导。制备的石墨烯/SiCnw/环氧树脂复合材料具优异的热机械性能和较高的横向和纵向热导率，扩大了环氧树脂的应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例四所制备的石墨烯/SiCnw-5wt.％复合薄膜的表面形貌照片。
图2为本发明实施例四所制备的石墨烯/SiCnw-5wt.％复合薄膜的横截面形貌照片。
图3为本发明实施例四所制备的石墨烯/SiCnw-5wt.％/环氧树脂复合材料的横截面形貌照片。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如无特别说明，下述所用各成分的含量为质量百分比含量。
本发明实施例中，原材料多层石墨烯平面直径为0.5～50μm；SiCnw直径为100～600nm，长度20～100μm；环氧树脂为Araldite LY1564，固化剂为Aradur 22962。
本发明实施例中，采用的加工设备，包括超声分散仪、砂芯过滤器、真空冷冻干燥机、烘箱等均为现有技术常规试验设备、仪器。
【实施例1】
制备纯环氧树脂固化物。
将环氧树脂与固化剂按4:1的比例均匀混合，然后在烘箱中加热固化，得到厚度为0.25mm的纯环氧树脂固化物(固化条件为80℃固化1h，升温至150℃后固化2h)，作为对比试样。
【实施例2】
制备纯石墨烯薄膜，进而制备石墨烯/环氧树脂复合材料。
(1)称量1g石墨烯加入300ml H2O2(30％)中，在100W功率下超声处理5min得到石墨烯分散液，得到浓度为3.33mg/ml的石墨烯分散液，然后转移到三口烧瓶中，在85℃下搅拌回流4h。氧化结束后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到氧化的石墨烯。
(2)称取0.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷加入160ml乙醇/水溶液中(95:5v/v)，室温搅拌30min，配制成偶联剂溶液。然后将步骤(1)中的氧化石墨烯加入偶联剂溶液中，在70℃下磁力搅拌4h。偶联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到偶联剂改性的石墨烯。
(3)将1g超支化聚乙烯亚胺溶于100ml甲醇溶液中，得到聚乙烯亚胺溶液。然后将1g步骤(2)中偶联剂改性的石墨烯加入聚乙烯亚胺溶液中水浴超声10min，在室温下磁力搅拌24h后加入200ml 1wt.％戊二醛水溶液中，继续在室温下搅拌20min。氨基交联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到聚乙烯亚胺改性的石墨烯。
(4)将步骤(3)中的聚乙烯亚胺改性石墨烯加入去离子水中，超声处理5min，得到浓度为1mg/ml的分散液。通过微孔滤膜真空辅助自组装法制备石墨烯薄膜。薄膜在冰箱中冷冻12h，然后经过冷冻干燥处理(24h)得到改性的石墨烯薄膜。
(5)将步骤(4)中改性的石墨烯薄膜密封于真空袋中，然后将环氧树脂与固化剂按4:1的比例均匀混合得到胶液，通过真空灌注工艺使胶液浸渍石墨烯薄膜(真空灌注工艺条件为：50℃，真空度0.05MPa，灌注时间30min，石墨烯薄膜与胶液的质量比为1/3)，加热固化，得到厚度为0.25mm的石墨烯/环氧树脂复合材料(固化条件为80℃固化1h，升温至150℃后固化2h)。
【实施例3】
制备SiCnw含量为2.5wt.％的石墨烯/SiCnw-2.5wt.％复合薄膜，进而制备石墨烯/SiCnw-2.5wt.％/环氧树脂复合材料。
(1)称量1g石墨烯和1g SiCnw分别加入300ml H2O2(30％)中，在100W功率下超声处理5min，得到浓度为3.33mg/ml的石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后转移到三口烧瓶中，在85℃下搅拌回流4h。氧化结束后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw。
(2)称取0.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷加入160ml乙醇/水溶液中(95:5v/v)，室温搅拌30min，配制成偶联剂溶液。然后将步骤(1)中的氧化石墨烯和氧化SiCnw分别加入偶联剂溶液中，在70℃下磁力搅拌4h。偶联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw。
(3)将1g超支化聚乙烯亚胺溶于100ml甲醇溶液中，得到聚乙烯亚胺溶液。然后将1g步骤(2)中偶联剂改性的石墨烯和SiCnw分别加入聚乙烯亚胺溶液中水浴超声10min，在室温下磁力搅拌24h后加入200ml 1wt.％戊二醛水溶液中，继续在室温下搅拌20min。氨基交联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到聚乙烯亚胺改性的石墨烯和聚乙烯亚胺改性的SiCnw。
(4)将步骤(3)中的聚乙烯亚胺改性石墨烯和聚乙烯亚胺改性的SiCnw分别加入去离子水中，超声处理5min，得到浓度为1mg/ml的分散液。将1.92ml SiCnw分散液加入到75ml的石墨烯分散液中，超声分散3min，配制成石墨烯/SiCnw混合分散液，通过微孔滤膜真空辅助自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜。薄膜在冰箱中冷冻12h，然后经过冷冻干燥处理(24h)得到改性的石墨烯/SiCnw-2.5wt.％复合薄膜。
(5)将步骤(4)中改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜密封于真空袋中，然后将环氧树脂与固化剂按4:1的比例均匀混合得到胶液，通过真空灌注工艺使胶液浸渍复合薄膜(真空灌注工艺条件为：50℃，真空度0.05MPa，灌注时间30min，石墨烯/SiCnw复合薄膜与胶液的质量比为1/3)，加热固化，得到厚度为0.25mm的石墨烯/SiCnw-2.5wt.％/环氧树脂复合材料(固化条件为80℃固化1h，升温至150℃后固化2h)。
【实施例4】
制备SiCnw含量为5wt.％的石墨烯/SiCnw-5wt.％复合薄膜，进而制备石墨烯/SiCnw-5wt.％/环氧树脂复合材料。
(1)称量1g石墨烯和1g SiCnw分别加入300ml H2O2(30％)中，在100W功率下超声处理5min，得到浓度为3.33mg/ml的石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后转移到三口烧瓶中，在85℃下搅拌回流4h。氧化结束后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw。
(2)称取0.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷加入160ml乙醇/水溶液中(95:5v/v)，室温搅拌30min，配制成偶联剂溶液。然后将步骤(1)中的氧化石墨烯和SiCnw分别加入到偶联剂溶液中，在70℃下磁力搅拌4h。偶联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw。
(3)将1g超支化聚乙烯亚胺溶于100ml甲醇溶液中，得到聚乙烯亚胺溶液。然后将1g步骤(2)中偶联剂改性的石墨烯和SiCnw分别加入聚乙烯亚胺溶液中水浴超声10min，在室温下磁力搅拌24h后加入200ml 1wt.％戊二醛水溶液中，继续在室温下搅拌20min。氨基交联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到聚乙烯亚胺改性的石墨烯和聚乙烯亚胺改性的SiCnw。
(4)将步骤(3)中的聚乙烯亚胺改性石墨烯和SiCnw分别加入去离子水中，超声处理5min，得到浓度为1mg/ml的分散液。将3.95ml SiCnw分散液加入到75ml的石墨烯分散液中，超声分散3min，配制成石墨烯/SiCnw混合分散液，通过微孔滤膜真空辅助自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜。薄膜在冰箱中冷冻12h，然后经过冷冻干燥处理(24h)得到改性的石墨烯/SiCnw-5wt.％复合薄膜。
(5)将步骤(4)中改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜密封于真空袋中，然后将环氧树脂与固化剂按4:1的比例均匀混合得到胶液，通过真空灌注工艺使胶液浸渍复合薄膜(真空灌注工艺条件为：50℃，真空度0.05MPa，灌注时间30min，石墨烯/SiCnw复合薄膜与胶液的质量比为1/3)，加热固化，得到厚度为0.25mm的石墨烯/SiCnw-5wt.％/环氧树脂复合材料(固化条件为80℃固化1h，升温至150℃后固化2h)。
【实施例5】
制备SiCnw含量为10wt.％的石墨烯/SiCnw-10wt.％复合薄膜，进而制备石墨烯/SiCnw-10wt.％/环氧树脂复合材料。
(1)称量1g石墨烯和1g SiCnw分别加入300ml H2O2(30％)中，在100W功率下超声处理5min，得到浓度为3.33mg/ml的石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后转移到三口烧瓶中，在85℃下搅拌回流4h。氧化结束后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw。
(2)称取0.2g3-氨丙基三乙氧基硅烷加入160ml乙醇/水溶液中(95:5v/v)，室温搅拌30min，配制成偶联剂溶液。然后将步骤(1)中的氧化石墨烯和氧化的SiCnw分别加入到偶联剂溶液中，在70℃下磁力搅拌4h。偶联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw。
(3)将1g超支化聚乙烯亚胺溶于100ml甲醇溶液中，得到聚乙烯亚胺溶液。然后将1g步骤(2)中偶联剂改性的石墨烯和SiCnw分别加入聚乙烯亚胺溶液中水浴超声10min，在室温下磁力搅拌24h后加入200ml 1wt.％戊二醛水溶液中，继续在室温下搅拌20min。氨基交联后，采用微孔滤膜过滤，经蒸馏水洗涤至少3次后，将滤饼在80℃下真空干燥12h，得到聚乙烯亚胺改性的石墨烯和聚乙烯亚胺改性的SiCnw。
(4)将步骤(3)中的聚乙烯亚胺改性石墨烯和SiCnw分别加入去离子水中，超声处理5min，得到浓度为1mg/ml的分散液。将8.33ml SiCnw分散液加入到75ml的石墨烯分散液中，超声分散3min，配制成石墨烯/SiCnw混合分散液，通过微孔滤膜真空辅助自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜。薄膜在冰箱中冷冻12h，然后经过冷冻干燥处理(24h)得到改性的石墨烯/SiCnw-10wt.％复合薄膜。
(5)将步骤(4)中改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜密封于真空袋中，然后将环氧树脂与固化剂按4:1的比例均匀混合得到胶液，通过真空灌注工艺使胶液浸渍复合薄膜(真空灌注工艺条件为：50℃，真空度0.05MPa，灌注时间30min，石墨烯/SiCnw复合薄膜与胶液的质量比为1/3)，加热固化，得到厚度为0.25mm的石墨烯/SiCnw-10wt.％/环氧树脂复合材料(固化条件为80℃固化1h，升温至150℃后固化2h)。
将制备的五个实施例的试样经机械性能分析和导热分析，对比数据如表1所示。
表1：
Figure BDA0003376306180000101
由此可以得出，在机械性能方面，通过真空灌注工艺将石墨烯/SiCnw复合薄膜引入环氧树脂后极大提高了复合材料的拉伸强度和储能模量。同时，石墨烯/SiCnw复合薄膜增强体比纯石墨烯薄膜具有更好的增强改性作用，SiCnw的引入可以进一步提高复合材料的拉伸强度和储能模量。在导热方面，引入适量的SiCnw能够促进复合材料在平面和厚度方向上导热网路的构建，进一步提高复合材料的横向和纵向热导率。图1和图2分别为实施例四石墨烯/SiCnw-5wt.％复合薄膜的表面和横截面形貌，图3为实施例四石墨烯/SiCnw-5wt.％/环氧树脂复合材料的横截面形貌。从图中可以看出，复合薄膜中一维的SiCnw均匀穿插分布于石墨烯片层间，在复合材料中石墨烯和SiCnw的分布和分散性较好，SiCnw将石墨烯纳米片连接在一起形成导热网路，促进了复合材料热导率的提高。本方法能够推动高热导率环氧树脂纳米复合材料规模化制备和使用，扩大环氧树脂的应用领域。

Claims (8)

1.一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.以H2O2分别对石墨烯和SiCnw进行氧化处理，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw，具体方法为：
称量一定量的石墨烯和SiCnw分别加入H2O2溶液中，经超声处理得到一定浓度的石墨烯分散液和SiCnw分散液，然后分别在80~90 ºC下搅拌回流3~5 h，经微孔滤膜过滤、蒸馏水洗涤、真空干燥，得到氧化的石墨烯和氧化的SiCnw；
S2.氧化石墨烯和氧化SiCnw分别与硅烷偶联剂反应，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw；
S3.偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw分别加入聚电解质溶液中，反应得到聚电解质改性的石墨烯和聚电解质改性的SiCnw，具体方法为：
将一定量的聚电解质溶于甲醇溶液中，得到聚电解质溶液，然后将步骤S2中偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw分别加入聚电解质溶液中水浴超声5~30min，在室温下磁力搅拌12~36h后加入一定量氨基交联剂，继续在室温下搅拌20~50 min；氨基交联后，经微孔滤膜过滤、蒸馏水洗涤、真空干燥，得到聚电解质改性的石墨烯和聚电解质改性的SiCnw，
所述的聚电解质为超支化聚乙烯亚胺，聚电解质溶液浓度为0.5~10 mg/ml；
所述的氨基交联剂为戊二醛水溶液，戊二醛的质量分数为0.5~1.5wt.%；
所述氨基交联剂的用量为石墨烯或者SiCnw质量的1/2~1/6；
S4.步骤S3得到的改性石墨烯和改性SiCnw经超声处理得到石墨烯分散液和SiCnw分散液；石墨烯分散液和SiCnw分散液混合，通过自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜；复合薄膜经冷冻、干燥处理得到改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜；
S5.将步骤S4中改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜密封于真空袋中，将环氧树脂与固化剂混合均匀配制胶液，通过浸渍工艺使胶液浸渍复合薄膜，加热固化后得到石墨烯/SiCnw/环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于：
所述的石墨烯为单层或多层石墨烯，其平面直径为0.5~50 μm；
所述的SiCnw为β型SiC，其直径为100~600 nm，长度20~100 μm；
所述H2O2的体积百分比浓度为20~40 %，每1g石墨烯或SiCnw采用250~500mlH2O2进行氧化；
所述超声处理的功率为30~150 W，时间为3~10 min；
所述的分散液的浓度为1~10 mg/ml。
3.根据权利要求1所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2的具体方法为：
称取一定量的硅烷偶联剂加入到乙醇/水溶液中，室温搅拌30~60 min，配制成一定浓度的硅烷偶联剂溶液，然后将步骤S1中的氧化石墨烯和氧化SiCnw分别加入硅烷偶联剂溶液中，60 ~80ºC下搅拌2~5 h，偶联反应后，经微孔滤膜过滤、蒸馏水洗涤、真空干燥，得到偶联剂改性的石墨烯和偶联剂改性的SiCnw。
4.根据权利要求3所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于：
所述的硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂，并且为单氨基或者多氨基硅烷偶联剂中的一种或两种以上物质的混合物；
所述硅烷偶联剂溶液的浓度为1~5 mg/ml，每1g石墨烯或SiCnw采用0.1-0.5g硅烷偶联剂进行偶联；
所述乙醇/水溶液的乙醇体积百分比浓度为90~99%。
5.根据权利要求4所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于：
所述的氨基硅烷偶联剂为双氨基硅烷偶联剂或者三氨基硅烷偶联剂。
6.根据权利要求1所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S4的具体方法为：
将步骤S3中的改性石墨烯和改性SiCnw分别加入去离子水中，超声处理5~20 min，得到分散液；将SiCnw分散液加入到石墨烯分散液中，配制成石墨烯/SiCnw混合分散液，超声分散3~10 min 后，通过自组装法制备石墨烯/SiCnw复合薄膜；复合薄膜经冷冻、干燥处理得到改性的石墨烯/SiCnw复合薄膜。
7.根据权利要求6所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于：
所述分散液的浓度为0.5~2 mg/ml；
所述的自组装法为微孔滤膜真空辅助自组装法；
所述干燥处理在真空冷冻干燥机中进行，干燥时间为24~48 h；
所述石墨烯/SiCnw复合薄膜中SiCnw的质量百分比含量为2~10%。
8.根据权利要求1所述的一种高热导率复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中：
所述的树脂为低粘度双酚A型环氧树脂；所述固化剂为液态胺类固化剂；环氧树脂与固化剂的质量比为(3~5):1;
所述浸渍工艺是指真空灌注工艺，条件为：45~55ºC，真空度为0.01~0.05 MPa，灌注时间为15~45 min，石墨烯/SiCnw复合薄膜与胶液的质量比为1/4-1/2；
所述的加热固化条件为：75~85ºC固化0.5~1.5 h, 升温至145~155 ºC后固化1.2~2.5h。
CN202111419389.XA 2021-11-26 2021-11-26 一种高热导率复合材料的制备方法 Active CN113999493B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111419389.XA CN113999493B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 一种高热导率复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111419389.XA CN113999493B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 一种高热导率复合材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113999493A CN113999493A (zh) 2022-02-01
CN113999493B true CN113999493B (zh) 2023-04-14

Family

ID=79930458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111419389.XA Active CN113999493B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 一种高热导率复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113999493B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114907671B (zh) * 2022-05-07 2023-08-18 重庆大学 一种氟化石墨烯高导热绝缘复合薄膜材料及其制备方法和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103627139A (zh) * 2013-09-25 2014-03-12 杭州师范大学 一种功能化氧化石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法
CN105968718A (zh) * 2016-05-20 2016-09-28 北京化工大学 一种碳纤维/石墨烯/环氧树脂预浸料及碳纤维复合材料的制备方法
CN108659467A (zh) * 2018-05-07 2018-10-16 武汉理工大学 SiC/氧化石墨烯复合改性环氧树脂的方法
CN112358652A (zh) * 2020-11-09 2021-02-12 安徽宇航派蒙健康科技股份有限公司 一种基于三维石墨烯的复合热界面材料的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103627139A (zh) * 2013-09-25 2014-03-12 杭州师范大学 一种功能化氧化石墨烯/环氧树脂纳米复合材料的制备方法
CN105968718A (zh) * 2016-05-20 2016-09-28 北京化工大学 一种碳纤维/石墨烯/环氧树脂预浸料及碳纤维复合材料的制备方法
CN108659467A (zh) * 2018-05-07 2018-10-16 武汉理工大学 SiC/氧化石墨烯复合改性环氧树脂的方法
CN112358652A (zh) * 2020-11-09 2021-02-12 安徽宇航派蒙健康科技股份有限公司 一种基于三维石墨烯的复合热界面材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113999493A (zh) 2022-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Synergistic enhanced thermal conductivity of epoxy composites with boron nitride nanosheets and microspheres
CN101597418B (zh) 一种电绝缘导热树脂复合材料及其制备方法
Wan et al. Recent advances in polymer-based electronic packaging materials
Ma et al. Through-plane assembly of carbon fibers into 3D skeleton achieving enhanced thermal conductivity of a thermal interface material
CN110951254A (zh) 氮化硼复合高导热绝缘高分子复合材料及其制备方法
CN109913185B (zh) 一种含导热膜的多层结构导热复合材料及其制备方法
Wang et al. Development of epoxy/BN composites with high thermal conductivity and sufficient dielectric breakdown strength partI-sample preparations and thermal conductivity
CN113881228B (zh) 一种高导热碳素纤维复合材料及其制备方法
Meng et al. Recent progress on fabrication and performance of polymer composites with highly thermal conductivity
CN108659467B (zh) SiC/氧化石墨烯复合改性环氧树脂的方法
CN112778703B (zh) 一种高韧性、导热性环氧树脂复合材料及其制备方法
CN111777841B (zh) 一种基于片层状各向异性的石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法
CN101475787B (zh) 一种各向同性高性能导热胶粘剂及其制备方法
CN102433098A (zh) 一种填充石墨烯各向同性高性能导热胶粘剂及制备方法
CN106977771B (zh) 氮化硼-银/纤维素复合材料及其制备方法
CN101914264B (zh) 一种电绝缘导热环氧树脂复合材料及其制备方法
CN113999493B (zh) 一种高热导率复合材料的制备方法
CN110079050B (zh) 一种导热阻燃环氧树脂复合材料及其制备方法
CN109825010A (zh) 一种利用磁场取向制备砖-泥结构导热聚合物复合材料的方法
CN110734641B (zh) 一种三维导热针刺毡聚酰胺复合材料及其制备方法
Jiao et al. Nacre-like robust cellulose nanofibers/MXene films with high thermal conductivity and improved electrical insulation by nanodiamond
Wang et al. Highly thermally conductive and electrical insulating epoxy-based composites containing oriented ternary carbon/graphene/MgO hybrid network
CN102191003A (zh) 一种镀银碳纳米管导热胶黏剂及其制备方法
CN107501610A (zh) 一种基于氮化硼的复合热界面材料及其制备方法
Li et al. Boron nitride whiskers and nano alumina synergistically enhancing the vertical thermal conductivity of epoxy-cellulose aerogel nanocomposites

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant