CN116574277A - 一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热管理材料制备的技术领域，具体公开了一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶及其制备方法，制备方法包括以下步骤：取氢氧化钾和二甲基亚砜混合后加入芳纶纤维；搅拌下滴加水，持续搅拌得到组分A；将聚乙烯醇粉末与二甲基亚砜混合得到聚乙烯醇溶液；将氮化硼粉末分散到异丙醇水溶液中，超声后离心处理，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，加入组分A混合后，与聚乙烯醇溶液混合得到混合物；将混合物倒入模具并排气，在‑20℃到室温之间反复冻融得到复合水凝胶；将复合水凝胶置于水中置换后，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。本发明具有优良导热性以及机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及热管理材料制备的技术领域，尤其涉及一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶及其制备方法。
背景技术
随着人工智能、第五代移动网络(5G)、物联网等产业的快速发展，引发了人们对高性能电子器件小型化、集成化和高能耗等方面的更大需求。然而，电子设备的集成通常伴随着功率密度的增加，但由于微型化设备的散热能力有限，导致其在运行过程中热量过度积累。
因此，热界面材料成为了电子设备的关键和组成部分，电子设备依靠热导体的热传输，将电子元件的不良热量散发到周围环境中去，通常提高热界面材料导热系数的方法一般是在聚合物基体中填充高导热填料。
但是上述方法往往需要大量填料才能实现最终导热材料的导热需求，大量填料的填充不仅不利于成本控制，还会对聚合物的力学性能造成一定影响。
因此，亟需一种具有优良导热性以及机械性能的导热材料。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有优良导热性以及机械性能的氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入芳纶纤维，且芳纶纤维的质量百分比不超过2wt％；然后持续搅拌下逐滴加入去离子水，在室温下持续搅拌得到组分A，且去离子水的体积不超过二甲基亚砜体积的4％；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在60～95℃下搅拌至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为5～10wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数不超过2wt％，超声处理后离心处理，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：(1～5)，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的1～5wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃到室温之间反复冻融，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换12h～48h后，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
进一步的，所述步骤1中搅拌时间为4h～12h。
进一步的，所述步骤3中超声步骤具体为尖端超声，超声时间为0.5～3h，频率为50～100％。
进一步的，所述步骤3中离心步骤中转速为，离心时间为30min。
进一步的，所述步骤4中冻融次数为2～5次。
进一步的，由权利要求1-5任意一项中的制备方法制备得到。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明中原料六方氮化硼为二维层状结构，具备优异的力学性能、热性能以及生物相容性，其导热率理论计算值约为2000W·m-1·K-1，实测值约为380W·m-1·K-1，并且还具有低的热膨胀系数。原料中的芳纶纤维是目前已知的力学强度最强的材料之一，被应用于航空航天、军事等领域，其单体因为体表面积大、力学强度高等优点被广泛当作增强材料而使用。
本发明采用的原料聚乙烯醇水凝胶具有良好的理化和生物性能，在近几十年里得到极大的发展，透明的聚乙烯醇水凝胶作为人工角膜和接触眼镜材料，具有很好含水率、氧渗透能力以及较低的蛋白质吸附性能；但单一的聚乙烯醇水凝胶存在导热性能差、力学性能弱等问题。
因此，本发明基于纳米材料增强技术，引入六方氮化硼和芳纶纤维增强聚乙烯醇水凝胶的导热性能和力学性能。聚乙烯醇和芳纶纤维之间大量的氢键结合为制备高强度的水凝胶提供了理论可行性。本发明中的氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶，聚乙烯醇分子链上丰富的O-H与芳纶纤维通过氢键相连；聚乙烯醇链内或链间的O-H也可以相互作用，通过聚乙烯醇和芳纶纤维之间大量的氢键结合极大的改善了水凝胶的力学性能；使得具有高含水量和灵活性的聚乙烯醇水凝胶成为了是一种良好的传热载体，不仅满足了水在材料中的流动能力，而且实现了水在材料中的自支撑和稳定存在。
同时，六方氮化硼的引入，在具有好含水量和灵活性的结构的基础上构建了六方氮化硼的固体导热网络，完成了固体网络与液体网络的界面结合，并成功地实现了固体导热网络与液体网络的三维互联，最终构建而成的三维填料网络能够在填料含量较低的情况下提高聚合物的导热性能。
综上，本发明一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶不仅具有优异的力学性能，同时也具有导热性能，能替代传统热界面材料制作导热体，并且本发明中氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶具备舒适的触感，还能够用于可穿戴电子热管理的领域；此外，基于本发明中氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶有优异的导热性以及舒适的触感，还能够用于退热贴的制备，也为水凝胶在热管理中的应用提供新的思路。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶的扫描电镜图片；
图2为本发明实施例3-5中一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶的热导率图；
图3为本发明实施例3-5中一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶的拉伸性能图；
图4为本发明实施例5中一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶在人体额头处的红外图像。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
实施例
实施例1
一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入1g芳纶纤维；然后持续搅拌下逐滴加入2mL去离子水，在室温下持续搅拌6h得到组分A(暗红色芳纶纤维溶液)；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在95℃下搅拌2h至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为8wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数为1wt％，选用尖端超声，在100％的频率下超声处理0.5h后以2000rpm离心处理30min，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：3，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的1wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃至室温之间反复冻融5次，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换48h后，置换水凝胶内部多余的二甲基亚砜，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
实施例2
一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入2g芳纶纤维；然后持续搅拌下逐滴加入1mL去离子水，在室温下持续搅拌4h得到组分A(暗红色芳纶纤维溶液)；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在60℃下搅拌2h至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为5wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数为1wt％，选用尖端超声，在50％的频率下超声处理3h后以2000rpm离心处理30min，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：5，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的1wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃至室温之间反复冻融3次，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换12h后，置换水凝胶内部多余的二甲基亚砜，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
实施例3
一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入2g芳纶纤维；然后持续搅拌下逐滴加入4mL去离子水，在室温下持续搅拌12h得到组分A(暗红色芳纶纤维溶液)；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在90℃下搅拌2h至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为10wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数为2wt％，选用尖端超声，在80％的频率下超声处理2h后以2000rpm离心处理30min，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：1，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的1wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃至室温之间反复冻融2次，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换24h后，置换水凝胶内部多余的二甲基亚砜，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
实施例4
一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入2g芳纶纤维，且芳纶纤维的质量百分比不超过2wt％；然后持续搅拌下逐滴加入4mL去离子水，在室温下持续搅拌12h得到组分A(暗红色芳纶纤维溶液)；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在90℃下搅拌2h至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为10wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数为2wt％，选用尖端超声，在80％的频率下超声处理2h后以2000rpm离心处理30min，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：1，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的3wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃至室温之间反复冻融2次，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换24h后，置换水凝胶内部多余的二甲基亚砜，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
实施例5
一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入2g芳纶纤维，且芳纶纤维的质量百分比不超过2wt％；然后持续搅拌下逐滴加入4mL去离子水，在室温下持续搅拌6h得到组分A(暗红色芳纶纤维溶液)；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在60℃下搅拌2h至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为5wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数为2wt％，选用尖端超声，在80％的频率下超声处理2h后以2000rpm离心处理30min，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：1，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的5wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃至室温之间反复冻融2次，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换24h后，置换水凝胶内部多余的二甲基亚砜，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
图1为实施例1中氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶的扫描电镜图像，可以看出，氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶形成了层状结构，有利于形成导热通路；
图2为实施例3-5中氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶的热导率图，实施例3-5中水凝胶中六方氮化硼的质量分数不同，根据图2可以看出：随着六方氮化硼的增加，热导率也随之提高，更有利于热传递；
图3为实施例3-5中氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶的拉伸性能图，实施例3-5中水凝胶中六方氮化硼的质量分数不同，根据图3可以看出：随着氮化硼的增加拉伸强度随之增加，而随着氮化硼含量的增加，断裂伸长率随着降低；
图4为实施例5在人体额头处的红外图像，人体额头初始温度为34.1℃，将水凝胶放置5min后，水凝胶温度从25.7℃上升到29.8℃，移除水凝胶后，人体额头温度为30.4℃，说明本发明制备的水凝胶在退热贴中具有良好的前景。
Claims (6)
1.一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备组分A：
按0.3g：100mL的配比取氢氧化钾和二甲基亚砜配置溶液，向溶液中加入芳纶纤维，且芳纶纤维的质量百分比不超过2wt％；然后持续搅拌下逐滴加入去离子水，在室温下持续搅拌得到组分A，且去离子水的体积不超过二甲基亚砜体积的4％；
步骤2，制备聚乙烯醇溶液：
将聚乙烯醇粉末倒入到100mL二甲基亚砜中，在60～95℃下搅拌至完全溶解得到聚乙烯醇溶液，且聚乙烯醇的质量百分数为5～10wt％；
步骤3，制备氮化硼纳米片粉末：
将氮化硼粉末分散到100mL异丙醇水溶液中，氮化硼粉末的质量百分数不超过2wt％，超声处理后离心处理，得到氮化硼纳米片分散液，冷冻干燥得到氮化硼纳米片粉末；
步骤4，制备氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶：
将氮化硼纳米片粉末溶于二甲基亚砜中，并与组分A混合均匀，然后加入聚乙烯醇溶液混合均匀得到混合物，且组分A和聚乙烯醇溶液的体积比为1：(1～5)，氮化硼纳米片粉末的质量占氮化硼纳米片粉末、组分A和聚乙烯醇溶液总质量的1～5wt％；
将混合物倒入模具排除多余的气体，在-20℃到室温之间反复冻融，得到复合水凝胶；最后将复合水凝胶置于去离子水中置换12h～48h后，得到氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇水凝胶。
2.如权利要求1所述的氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中搅拌时间为4h～12h。
3.如权利要求1所述的氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3中超声步骤具体为尖端超声，超声时间为0.5～3h，频率为50～100％。
4.如权利要求1所述的氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3中离心步骤中转速为，离心时间为30min。
5.如权利要求1所述的氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤4中冻融次数为2～5次。
6.一种氮化硼/芳纶纤维/聚乙烯醇导热水凝胶，其特征在于，由权利要求1-5任意一项中的制备方法制备得到。
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