CN115571877A - 一种芳纶基石墨膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种芳纶基石墨膜及其制备方法，所述芳纶基石墨膜的制备方法包括：将芳纶加入具有羟基酸的有机溶剂中，加热溶解完全，得到芳纶溶液；将所述芳纶溶液涂覆成膜后，烘烤固化，得到芳纶薄膜；将所述芳纶薄膜再高温碳化，高温石墨化，即得到所述芳纶基石墨膜。本发明提出的一种芳纶基石墨膜及其制备方法，通过增强芳纶在有机溶剂中的溶解性，制备出了一种结构致密、厚薄均匀性极佳的芳纶薄膜，再将该芳纶薄膜经碳化，石墨化后获得芳纶基石墨膜，所得芳纶基石墨膜具有石墨化程度高、柔性好、热扩散效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及石墨膜技术领域，尤其涉及一种芳纶基石墨膜及其制备方法。
背景技术
随着科技的高速发展，电子信息产品趋于结构紧凑化、运行高效化，普遍面临发热量高、芯片耐高温性差、散热不充分等问题，大量积累的热量将会严重影响电子器件的正常工作及系统的稳定性。为了解决此类问题，人们开发出以散热系数高、质轻的碳基材料为主的导热材料。其中，石墨膜由于具有优良的导电性、导热性、轻薄性，在微电子封装和集成领域的应用表现出明显优势。
芳纶纤维因其具有高取向度、高结晶度、优异的力学和耐燃性能在民用和国防方向上被广泛应用，然而单一的宏观芳纶纤维因其疏水性强不易分散等性质难以通过自组装的方式成膜，限制其在石墨膜等新材料中的进一步应用。
目前，利用自组装技术将芳纶自组装成具有宏观结构的薄膜，是制备石墨膜的理想前驱体。但是，现有技术公开了将该芳纶薄膜高温碳化、石墨后，所得这种石墨膜碳质材料却表现出柔性差，内部缺陷较多，热扩散性有待提高等缺陷。因此如何对芳纶进行调控，从而获得一种芳纶基石墨膜是迫切需要解决的一个问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种芳纶基石墨膜及其制备方法，通过增强芳纶在有机溶剂中的溶解性，制备出了一种结构致密、厚薄均匀性极佳的芳纶薄膜，再将该芳纶薄膜经碳化，石墨化后获得芳纶基石墨膜，所得芳纶基石墨膜具有石墨化程度高、柔性好、热扩散效率高的优点。
本发明提出的一种芳纶基石墨膜的制备方法，包括如下步骤：
S1、将芳纶加入具有羟基酸的有机溶剂中，加热溶解完全，得到芳纶溶液；
S2、将所述芳纶溶液涂覆成膜后，烘烤固化，得到芳纶薄膜；
S3、将所述芳纶薄膜再高温碳化，高温石墨化，即得到所述芳纶基石墨膜。
本发明中，将芳纶加入具有羟基酸的有机溶剂中，羟基酸作为一种含羧酸基团的螯合剂，其可以使芳纶中的酰胺键的氨基质子化，从而在芳纶分子链中吸附上羟基酸的基团，考虑到羟基酸基团对酰胺等极性有机溶剂具有较强的亲和效果，因此可以在保留芳纶原有结构的基础上，增强芳纶在有机溶剂中的分散溶解效果，最终有助于获得结构致密、厚薄均匀性极佳的芳纶薄膜，进而得到高性能的石墨膜。
优选地，步骤S1中，所述羟基酸为乳酸、水杨酸、苹果酸、柠檬酸或酒石酸中的至少一种。
优选地，步骤S1中，所述有机溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜中的至少一种。
优选地，步骤S1中，所述芳纶为聚对苯二甲酰对苯二胺或聚间苯二甲酰间苯二胺纤维中的至少一种；
优选地，所述芳纶、羟基酸和有机溶剂的质量比为1:1-2:10-20。
优选地，步骤S1中，所述加热溶解温度为60-100℃。
优选地，步骤S2具体包括：将所述芳纶溶液涂布在支撑板上，80-120℃下烘烤固化2-10h。
优选地，步骤S3中，所述高温碳化温度为800-2000℃，时间为1-6h；
优选地，所述高温碳化的升温速率为1-15℃/min。
优选地，
步骤S3中，所述高温石墨化温度为2000-3000℃，时间为1-6h；
优选地，所述高温石墨化的升温速率为1-15℃/min。
优选地，步骤S3还包括，将高温石墨化后的芳纶薄膜进行压延处理。
优选地，所述压延压力为20-50MPa，时间为1-3h。
本发明还提出一种芳纶基石墨膜，其是上述制备方法制备得到。
本发明中，芳纶在羟基酸的助溶剂条件下，增强了在有机溶剂中的溶解程度，并由此制备成膜，所得芳纶薄膜再分别经过碳化、石墨化后即制得高度有序的石墨膜，所述石墨膜具有石墨化程度高，柔性好、热扩散效率高的优点，所述制备方法简单易行，绿色环保，可规模化生产。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
实施例1
一种芳纶基石墨膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)、按照对位芳纶、N，N-二甲基乙酰胺质量比为1:15将对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)加入N，N-二甲基乙酰胺中，搅拌分散均匀后再按照乳酸、对位芳纶质量比为1:1加入乳酸，搅拌混合均匀后，加热至80℃并超声振荡至对位芳纶溶解完全，得到对位芳纶溶液；
(2)、将所述对位芳纶溶液涂布在钢板上，升温至100℃后烘烤固化6h，得到对位芳纶薄膜；
(3)、将所述对位芳纶薄膜置于石墨制得的圆筒形封闭式容器中，在氩气环境中以5℃/min的升温速率升温至1200℃并保温2h，再以10℃/min的升温速率使其升温至2700℃并保温1h，冷却至室温后取出，再用压延辊进行压延处理，即得到所述芳纶基石墨膜，厚度控制为15μm。
实施例2
一种芳纶基石墨膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)、按照对位芳纶、N，N-二甲基乙酰胺质量比为1:10将对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)加入N，N-二甲基乙酰胺中，搅拌分散均匀后再按照水杨酸、对位芳纶质量比为1:1加入水杨酸，搅拌混合均匀后，加热至100℃并超声振荡至对位芳纶溶解完全，得到对位芳纶溶液；
(2)、将所述对位芳纶溶液涂布在钢板上，升温至100℃后烘烤固化6h，得到对位芳纶薄膜；
(3)、将所述对位芳纶薄膜置于石墨制得的圆筒形封闭式容器中，在氩气环境中以5℃/min的升温速率升温至1500℃并保温1h，再以10℃/min的升温速率使其升温至2500℃并保温2h，冷却至室温后取出，再用压延辊进行压延处理，即得到所述芳纶基石墨膜，厚度控制为15μm。
实施例3
一种芳纶基石墨膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)、按照对位芳纶、N，N-二甲基乙酰胺质量比为1:20将对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)加入N，N-二甲基乙酰胺中，搅拌分散均匀后再按照乳酸、对位芳纶质量比为1:3加入苹果酸，搅拌混合均匀后，加热至60℃并超声振荡至对位芳纶溶解完全，得到对位芳纶溶液；
(2)、将所述对位芳纶溶液涂布在钢板上，升温至80℃后烘烤固化10h，得到对位芳纶薄膜；
(3)、将所述对位芳纶薄膜置于石墨制得的圆筒形封闭式容器中，在氩气环境中以3℃/min的升温速率升温至1000℃并保温3h，再以5℃/min的升温速率使其升温至3000℃并保温1h，冷却至室温后取出，再用压延辊进行压延处理，即得到所述芳纶基石墨膜，厚度控制为15μm。
实施例4
一种芳纶基石墨膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)、按照间位芳纶、N-甲基吡咯烷酮质量比为1:15将间位芳纶(聚间苯二甲酰间苯二胺)加入N-甲基吡咯烷酮中，搅拌分散均匀后再按照乳酸、间位芳纶质量比为1:2加入乳酸，搅拌混合均匀后，加热至80℃并超声振荡至间位芳纶溶解完全，得到间位芳纶溶液；
(2)、将所述间位芳纶溶液涂布在钢板上，升温至100℃后烘烤固化6h，得到间位芳纶薄膜；
(3)、将所述间位芳纶薄膜置于石墨制得的圆筒形封闭式容器中，在氩气环境中以5℃/min的升温速率升温至1600℃并保温1h，再以10℃/min的升温速率使其升温至2500℃并保温2h，冷却至室温后取出，再用压延辊进行压延处理，即得到所述芳纶基石墨膜，厚度控制为15μm。
对比例1
一种芳纶基石墨膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)、按照对位芳纶、N，N-二甲基乙酰胺质量比为1:15将对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)加入N，N-二甲基乙酰胺中，搅拌分散均匀后，加热至80℃并超声振荡至不再溶解，得到对位芳纶溶液；
(2)、将所述对位芳纶溶液通过过滤膜真空过滤后，涂布在钢板上，升温至100℃后烘烤固化6h，得到对位芳纶薄膜；
(3)、将所述对位芳纶薄膜置于石墨制得的圆筒形封闭式容器中，在氩气环境中以5℃/min的升温速率升温至1200℃并保温2h，再以10℃/min的升温速率使其升温至2700℃并保温1h，冷却至室温后取出，再用压延辊进行压延处理，即得到所述芳纶基石墨膜，厚度控制为15μm。
对实施例和对比例所获得的芳纶基石墨膜的力学性能、热扩散系数进行测试，结果如下表1所示：
表1实施例和对比例对应获得的芳纶基石墨膜的测试结果
从上表的实验数据可知，相比对比例，本发明实施例所得芳纶基石墨膜具有石墨化程度高、柔性好、热扩散效率高的优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将芳纶加入具有羟基酸的有机溶剂中，加热溶解完全，得到芳纶溶液；
S2、将所述芳纶溶液涂覆成膜后，烘烤固化，得到芳纶薄膜；
S3、将所述芳纶薄膜再高温碳化，高温石墨化，即得到所述芳纶基石墨膜。
2.根据权利要求1所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述羟基酸为乳酸、水杨酸、苹果酸、柠檬酸或酒石酸中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述有机溶剂为N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述芳纶为聚对苯二甲酰对苯二胺或聚间苯二甲酰间苯二胺纤维中的至少一种；
优选地，所述芳纶、羟基酸和有机溶剂的质量比为1:1-2:10-20。
5.根据权利要求1-4任一项所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述加热溶解温度为60-100℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S2具体包括：将所述芳纶溶液涂布在支撑板上，80-120℃下烘烤固化2-10h。
7.根据权利要求1-6任一项所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高温碳化温度为800-2000℃，时间为1-6h；
优选地，所述高温碳化的升温速率为1-15℃/min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高温石墨化温度为2000-3000℃，时间为1-6h；
优选地，所述高温石墨化的升温速率为1-15℃/min。
9.根据权利要求1-8任一项所述芳纶基石墨膜的制备方法，其特征在于，步骤S3还包括，将高温石墨化后的芳纶薄膜进行压延处理。
10.一种芳纶基石墨膜，其特征在于，其是权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到。
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