CN114250062A - 一种铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法，包括有机相变材料10～40份、铝粉5～20份、膨胀石墨1～30份。通过真空吸附技术，可将含有铝粉的相变材料吸附在膨胀石墨的层间，使制得的复合相变材料在较低密度小具备高导热性能。膨胀石墨经铝粉插层后，可增加石墨层间的声子传递路径，提高复合相变材料的导热性能，同时也可保证铝粉在相变材料中的良好分散性。在毛细管力和表面张力的作用下，相变材料可被膨胀石墨的网状多孔结构紧密吸附，使制备的复合相变材料具有良好的定形防泄漏效果。本发明生产工艺简单，制造成本低，易于推广，在新能源汽车、通讯设备、电子封装、无人机等多种热管理领域具有很好的应用前景。

Description

一种铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法
技术领域
本发明属于相变材料技术领域，涉及一种铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法，具体涉及一种低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法。
背景技术
导热相变材料是一类具有导热功能，可利用自身相态变化，从周围环境中吸收或释放大量热量，从而实现热管理功能的材料。导热相变材料主要是在相变材料中直接添加各种导热填料制成的。为了获得高导热性能，通常需要填充高质量分数的导热填料。而常用的导热填料如：金属粉、氧化铝、氧化锌、氮化铝等密度均较大，因此制备的导热相变材料密度也较大，难以满足当今电子工业轻薄化的发展需求。碳材料如：石墨烯和碳纳米管，因其具有超高的热导率和较低的密度，在作为导热填料方面有很大的潜力，但它们价格昂贵，目前不适宜产业化应用。
膨胀石墨是由天然鳞片石墨经插层、水洗、干燥、高温膨化等过程制得的一种蠕虫状碳材料。它廉价易得，具备天然石墨的高导热性，并且表面疏松的网状孔隙结构对相变材料具有很强的吸附能力，可用来制备定形相变材料。中国发明专利CN111072318A中公开了一种多功能相变复合材料，它以膨胀石墨作为导热颗粒和吸附剂，制备的复合相变材料定形效果好，热导率可达1.43W/(m×K)。Yanqi Zhao等人(Applied Thermal Engineering171(2020)115015)制备了膨胀石墨质量分数分别为15％、20％和25％的石蜡/膨胀石墨复合相变材料，当膨胀石墨含量为25％时，热导率可达3.59W/(m×K)。但是，上述现有技术的复合相变材料的热导率仍然较低，不能满足现在电子工业对低密度和高导热性的双重需求。如果只是增加膨胀石墨的含量来提高导热性能，往往会导致复合相变材料力学性能变差，难以成型和实际应用。如果直接添加其他高导热填料，无法保证分散均匀，很难与膨胀石墨形成协同效应。因此，如何通过合理的结构设计，进一步提高膨胀石墨复合相变材料的导热性能已成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法。本发明提供的铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料兼具制备方法简单、密度低、热导率高和无液体泄漏等特点，具有广阔的应用前景。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
SS1.将有机相变材料在水浴条件下升温至60～90℃下，使其完全熔融；
SS2.将铝粉加入到步骤SS1所得熔融物中，搅拌均匀；
SS3.将膨胀石墨加入到步骤SS2所得混合物中，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在60～90℃下真空吸附6-12h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；
SS4.将步骤SS3所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为80～120℃，压力为5～20MPa，热压10～30min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
本发明提供的上述低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料的制备方法中，通过真空吸附技术，可以将含有铝粉的相变材料吸附在膨胀石墨的层间，使制得的复合相变材料在较低密度小具备高导热性能。一方面，膨胀石墨经铝粉插层后，可以增加石墨层间的声子传递路径，提高复合相变材料的导热性能，同时也可以保证铝粉在相变材料中的良好分散性。另一方面，在毛细管力和表面张力的作用下，相变材料可以被膨胀石墨的网状多孔结构紧密吸附，使制备的复合相变材料具有良好的定形防泄漏效果。
优选地，上述步骤SS1中，所述的有机相变材料的重量份为10～40份，所述的有机相变材料选自石蜡、蜂蜡、硅蜡、凡士林、脂肪酸类、脂肪醇类中的一种或多种。
优选地，上述步骤SS2中，所述的铝粉的重量份为5～20份，所述的铝粉选自中值粒径(D50)在100nm～50μm范围内的球形铝粉中的一种或多种。
优选地，上述步骤SS3中，所述膨胀石墨的重量份为1～30份，所述的膨胀石墨选自粒度为80目，含碳量99％以上，膨胀倍率为250ml/g的蠕虫状石墨。
本发明还提供了一种利用上述制备方法得到的低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：有机相变材料10～40份、铝粉5～20份、膨胀石墨1～30份。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：通过真空吸附技术，可以将含有铝粉的相变材料吸附在膨胀石墨的层间，使制得的复合相变材料在较低密度小具备高导热性能。一方面，膨胀石墨经铝粉插层后，可以增加石墨层间的声子传递路径，提高复合相变材料的导热性能，同时也可以保证铝粉在相变材料中的良好分散性。另一方面，在毛细管力和表面张力的作用下，相变材料可以被膨胀石墨的网状多孔结构紧密吸附，使制备的复合相变材料具有良好的定形防泄漏效果。此外，本发明生产工艺简单，制造成本低，易于推广，在新能源汽车、通讯设备、电子封装、无人机等多种热管理领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料的制备过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方案做进一步详细阐述，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。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。
实施例1
称取石蜡20份，在水浴条件下升温至80℃下，使其完全熔融；加入球形铝粉(粒径5μm)10份，搅拌均匀；加入膨胀石墨6份，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在80℃下真空吸附8h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；将所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为90℃，压力为6MPa，热压20min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。图1为本发明低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料的制备过程示意图。
实施例2
称取石蜡16份，硬脂酸8份，在水浴条件下升温至85℃下，使其完全熔融；加入球形铝粉(粒径18μm)15份，搅拌均匀；加入膨胀石墨9份，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在85℃下真空吸附8h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；将所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为100℃，压力为8MPa，热压15min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
实施例3
称取硬脂酸30份，在水浴条件下升温至85℃下，使其完全熔融；加入球形铝粉(粒径13μm)12份，搅拌均匀；加入膨胀石墨8份，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在85℃下真空吸附10h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；将所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为100℃，压力为8MPa，热压25min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
实施例4
称取聚乙二醇25份，在水浴条件下升温至90℃下，使其完全熔融；加入球形铝粉(粒径2μm)6份，搅拌均匀；加入膨胀石墨8份，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在90℃下真空吸附10h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；将所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为110℃，压力为6MPa，热压30min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
实施例5
称取石蜡25份，凡士林10份，在水浴条件下升温至80℃下，使其完全熔融；加入球形铝粉(粒径10μm)20份，搅拌均匀；加入膨胀石墨14份，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在80℃下真空吸附12h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；将所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为90℃，压力为10MPa，热压20min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
对比例1
称取石蜡20份，在水浴条件下升温至80℃下，使其完全熔融；加入膨胀石墨6份，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在80℃下真空吸附8h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；将所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为90℃，压力为6MPa，热压20min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
将实施例1～5和对比例1制备的复合相变材料样品进行性能测试，测试结果见表1所示。
表1低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料
Figure BDA0003439604460000061
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料及其制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
SS1.将有机相变材料在水浴条件下升温至60～90℃下，使其完全熔融；
SS2.将铝粉加入到步骤SS1所得熔融物中，搅拌均匀；
SS3.将膨胀石墨加入到步骤SS2所得混合物中，边加边搅拌，然后将其放置真空烘箱中，在60～90℃下真空吸附6-12h，每隔半小时对混合物搅拌一次，吸附结束后，自然冷却至室温，得到粉末状铝粉插层膨胀石墨复合相变材料；
SS4.将步骤SS3所得粉末转移至模具中，将其放置在平板硫化机上，温度为80～120℃，压力为5～20MPa，热压10～30min，得到块状铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料。
2.根据上述权利要求所述的制备方法，其特征在于，上述步骤SS1中，所述的有机相变材料的重量份为10～40份，所述的有机相变材料选自石蜡、蜂蜡、硅蜡、凡士林、脂肪酸类、脂肪醇类中的一种或多种。
3.根据上述权利要求所述的制备方法，其特征在于，上述步骤SS2中，所述的铝粉的重量份为5～20份，所述的铝粉选自中值粒径(D50)在100nm～50μm范围内的球形铝粉中的一种或多种。
4.根据上述权利要求所述的制备方法，其特征在于，上述步骤SS3中，所述膨胀石墨的重量份为1～30份，所述的膨胀石墨选自粒度为80目，含碳量99％以上，膨胀倍率为250ml/g的蠕虫状石墨。
5.一种利用上述权利要求1至4任一项所述的制备方法得到的低密度高热导率铝粉插层膨胀石墨复合定形相变材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：有机相变材料10～40份、铝粉5～20份、膨胀石墨1～30份。
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