高導熱導電石墨烯薄膜及其製備工藝的製作方法

2023-05-06 03:46:31

高導熱導電石墨烯薄膜及其製備工藝的製作方法
【專利摘要】本發明涉及薄膜【技術領域】，具體涉及一種高導熱導電石墨烯薄膜及其製備工藝。這種薄膜為採用石墨烯和納米金剛石改性製備的厚度為0.5-500μm的薄膜，所述石墨烯與納米金剛石的重量比為1-10:1。本發明的高導熱導電石墨烯薄膜通過石墨烯和金剛石的改性，極大地提高了薄膜的導熱性和導電性，使其具備阻隔近紅外/紫外輻射、降低反射率、高透明度等特徵。此外，提高了薄膜與基體的結合力，提高了結合強度，並且具有較好的耐腐蝕性能。
【專利說明】高導熱導電石墨烯薄膜及其製備工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及薄膜【技術領域】，具體涉及一種高導熱導電石墨烯薄膜及其製備工藝。【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光〃；導熱係數高達5300W/m.K，高於碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2;/V.s，又比納米碳管或矽晶體高，而電阻率只約10_6Ω.cm,比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。由於石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來製造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯另一個特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應。石墨烯的結構非常穩定，石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力於石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。
[0003]目前的薄膜大部分是採用高分子製備而成的，由高分子製備而成的薄膜具有很好的延展性，但是由於高分子材料的固有特性，是的薄膜的導電性和導熱性不足，嚴重影響了薄膜的應用，不能滿足薄膜在電子領域中的應用。此外，由於高分子製備的薄膜與金屬及其他基體的結合程度較低，導致薄膜的有效使用壽命較低。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了克服現有薄膜與基體的結合力差切導熱及導電性能的不足導致影響其應用的問題，提供了一種高導熱導電石墨烯薄膜。通過本發明中石墨烯及其他各組分的共同改性，使得製備的薄膜具有較高的導電和導熱性能，並且能夠與金屬等基體具有較好的結合性能。
[0005]本發明的另一個目的是提供上述高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝。該工藝可以通過簡單的製備步驟，得到一種與基體具有較高結合力切能高導熱導電的薄膜。
[0006]為了達到上述發明目的，本發明採用以下技術方案:
[0007]—種高導熱導電石墨烯薄膜，所述高導熱導電石墨烯薄膜為採用石墨烯和納米金剛石改性製備的厚度為0.5-500 μ m的薄膜，所述石墨烯與納米金剛石的重量比為1-10:1。
[0008]石墨烯的結構非常穩定，石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力於石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯在保證強度的基礎上具有非常好的柔韌性，當製備的薄膜在受到外力的作用下，不易發生破損及破裂，此外，這種穩定的晶格結構也使石墨烯具有優秀的導熱性。本發明利用石墨烯的優點，提高了薄膜的平面強度、導熱性和導電性。納米金剛石不僅保留著金剛石的綜合優異特性，而且還有對人體無害的良好的生物兼容性；對雷達波、紅外紫外光有巨大的透射率和吸收率，優異的冷陰極場發射效應，表面有許多羧基、烴基、羰基等功能團，很容易同金屬、橡膠、塑料聚合物、織物表面緊密結合。在本發明的薄膜中添加納米金剛石使薄膜的耐磨性和顯微硬度得到了很大的提高，此外，薄膜的抗蝕性也得到了有效提高。
[0009]作為優選，所述石墨烯與納米金剛石的重量比為1-5:1。石墨烯和金剛石的添加量決定了薄膜的成膜重量，當石墨烯的添加量小於0.1%時，石墨烯的效果不明顯，當石墨烯的添加量大於10%時，對薄膜的成膜質量影響較大，降低了薄膜的強度。石墨烯與納米金剛石的合適重量比，能夠平衡薄膜的成膜性、抗蝕性、強度及其他性能，不適合的重量比，會造成薄膜的部分性能過高導致資源浪費。
[0010]作為優選，所述高導熱導電石墨烯薄膜的厚度為0.5-100 μ m。
[0011]作為優選，所述納米金剛石的粒徑為20_200nm。金剛石粒徑對薄膜的性能起到關鍵影響。當金剛石的粒徑過小時，成本過高，當金剛石的粒徑過大時，不僅不能夠有效提高薄膜的性能，還能夠對薄膜的成膜起到負面影響，使得薄膜容易發生開裂發僧。。
[0012]作為優選，所述高導熱導電石墨烯薄膜採用粘結劑製備而成，所述粘合劑包括以下重量百分比的各組分:三聚氰胺樹脂30-50%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂30-50%和聚吡咯30-50%。三聚氰胺樹脂能改善本發明導電聚合物的電穩定性，有助於增強本發明膜的耐水性。乙烯基樹脂是高度耐蝕樹脂，雙酚A環氧乙烯基樹脂還能夠迅速固化，很快得到使用強度，得到具有高度耐腐蝕性聚合物；酯鍵邊的甲基還可起保護作用，提高耐水解性；樹脂含酯鍵量少，使其耐鹼性能提高；較多的仲羥基可以改善對基體的溼潤性與粘結性，提高薄膜與基體的連接性能；同時，由於僅在分子兩端交聯，因此分子鏈在應力作用下可以伸長，以吸收外力或熱衝擊，避免薄膜出現開裂。聚吡咯具有很好的導電性能，並具有優越的生物相容性和環境穩 定性，可以進一步提高薄膜的導電性能。
[0013]一種高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，包括以下步驟:
[0014]1)將石墨烯與納米金剛石用硝酸鉀配成重量百分比5-20%的分散液，並加入佔分散液重量百分比為1-5%的表面活性劑，超聲分散10-30min，待用；
[0015]2)將步驟1)超聲分散後的分散液加入到由重量百分比分別為三聚氰胺樹脂30-50%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂30-50%和聚吡咯30-50%組成的粘合劑中，在80_120°C下攪拌均勻，待用；
[0016]3)將步驟2)的混合液在基板上塗覆，紫外固化成膜，得高導熱導電石墨烯薄膜。
[0017]作為優選，所述步驟3)的基板為陽極氧化鋁基板。陽極氧化鋁的表面有孔洞，通過陽極氧化鋁上的孔洞可以在薄膜表面形成凸起，從而增加薄膜與基體的接觸面積，提高結合力。
[0018]作為優選，所述陽極氧化鋁基板的製備包括以下步驟:取高純鋁板，首先將其在丙酮混合溶液中超聲清洗15-30min，接著拋光，使Ra ^0.01ym ;一次鍍膜，並去除陽極氧化鋁薄膜；二次鍍膜並在重量百分比為3-6%的磷酸溶液中擴孔10-20min。採用兩次鍍膜是為了去除高純鋁板表面的既有雜質，降低對後續擴孔的幹擾。
[0019]作為優選，所述陽極氧化鋁基板表面孔的內徑為20-60nm，孔的間距為40_60nm，孔的深度為2±0.5 μ m。
[0020]一種高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備步驟為:
[0021]1)將石墨烯和納米金剛石分別置於水中，超聲分散0.5_3h，分別配製成質量分數為5-20%的分散液；
[0022]2)將步驟1)的兩種分散液混合，然後加入佔石墨烯和納米金剛石總質量的1/5-1/4的乙烯基酯樹脂或環氧樹脂，在80-150°C攪拌均勻，採用溶液澆鑄法並經熱壓成膜；
[0023]3)將上述薄膜放入高溫真空爐中，在保護氣氛下300-1000°C下進行熱處理10-30min,得到高導熱導電石墨烯薄膜。
[0024]如上述所述，石墨烯和金剛石通過其自身的優異性能極大的提高了薄膜的導熱性和導電性，Ti02作為優質的消光劑是通過散射作用達到消光的效果，不會產生光汙染，採用其形成的薄膜具有阻隔近紅外/紫外輻射、低反射率、高透明度等特徵，薄膜對於紫外區域隔絕率達到90%以上，紅外區域隔絕性能也達到50%以上。
[0025]本發明的有益效果是:1，高導熱，上述兩種方法製備的薄膜在XY方向導熱率均超過1000 w/mk,且最大達到了 2000w/mk,在z方向導熱率均達到了 100w/mk, 2高導電,3增加了薄膜與基體的結合力，提高了結合強度，4具有較好的耐腐蝕性能，5抗紫外輻射。
【具體實施方式】
[0026]下面通過具體實施例對本發明的技術方案作進一步描述說明。
[0027]如果無特殊說明，本發明的實施例中所採用的原料均為本領域常用的原料，實施例中所採用的方法，均為本領域的常規方法。
[0028]實施例1:`[0029]1)將石墨烯與粒徑為20nm的納米金剛石以重量比為5:1用硝酸鉀配成重量百分比20%的分散液，並加入佔分散液重量百分比為1%的表面活性劑，超聲分散20min，待用；
[0030]2)將步驟1)超聲分散後的分散液加入到由重量百分比分別為三聚氰胺樹脂50%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂20%和聚吡咯30%組成的粘合劑中，並確定石墨烯的含量為10%，在80-120°C下攪拌均勻，待用；
[0031]3)取高純鋁板，首先將其在丙酮混合溶液中超聲清洗15min，接著拋光，使Ra^0.01um ;一次鍍膜，並去除陽極氧化鋁薄膜；二次鍍膜並在重量百分比為5%的磷酸溶液中擴孔20min,孔的內徑為20nm,孔的間距為50nm,孔的深度為2±0.5 μ m。然後將步驟2)的混合液在基板上塗覆，紫外固化成膜，並設定薄膜的厚度為500 μ m，得高導熱導電石墨烯薄膜。
[0032]實施例2:
[0033]1)將石墨烯與粒徑為lOOnm的納米金剛石以重量比為10:1用硝酸鉀配成重量百分比5%的分散液，並加入佔分散液重量百分比為3%的表面活性劑，超聲分散30min，待用；
[0034]2)將步驟1)超聲分散後的分散液加入到由重量百分比分別為三聚氰胺樹脂20%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂30%和聚吡咯50%組成的粘合劑中，並確定石墨烯的含量為
0.1%，在100°c下攪拌均勻，待用；
[0035]3)取高純鋁板，首先將其在丙酮混合溶液中超聲清洗30min，接著拋光，使Ra^0.01um ;一次鍍膜，並去除陽極氧化鋁薄膜；二次鍍膜並在重量百分比為3%的磷酸溶液中擴孔15min,孔的內徑為60nm,孔的間距為40nm,孔的深度為2±0.5 μ m。然後將步驟2)的混合液在基板上塗覆，紫外固化成膜，並設定薄膜的厚度為0.5 μ m，得高導熱導電石墨烯薄膜。
[0036]實施例3:
[0037]1)將石墨烯與粒徑為200nm的納米金剛石以重量比為1:1用硝酸鉀配成重量百分比10%的分散液，並加入佔分散液重量百分比為5%的表面活性劑，超聲分散lOmin，待用；
[0038]2)將步驟1)超聲分散後的分散液加入到由重量百分比分別為三聚氰胺樹脂30%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂50%和聚吡咯20%組成的粘合劑中，並確定石墨烯的含量為50%，在120°C下攪拌均勻，待用；
[0039]3)取高純鋁板，首先將其在丙酮混合溶液中超聲清洗15min，接著拋光，使Ra^0.01um ;一次鍍膜，並去除陽極氧化鋁薄膜；二次鍍膜並在重量百分比為5%的磷酸溶液中擴孔20min,孔的內徑為20nm,孔的間距為50nm,孔的深度為2±0.5μηι。然後將步驟2)的混合液在基板上塗覆，紫外固化成膜，並設定薄膜的厚度為500 μ m，得高導熱導電石墨烯薄膜。
[0040]實施例4:
[0041]1)將石墨烯和納米金剛石以重量比為1:1分別置於水中，超聲分散lh，分別配製成重量分數為20%的分散液；
[0042]2)將步驟1)中兩種分散液混合，並加入佔石墨烯和納米金剛石總重量的1/4的乙烯基酯樹脂，在80°C攪拌均 勻，採用溶液澆鑄法並經熱壓成膜，薄膜的厚度為ΙΟΟμπι;
[0043]3)將上述薄膜放入高溫真空爐中，在保護氣氛下1000°C下進行熱處理lOmin，得到高導熱導電石墨烯薄膜。
[0044]實施例5:
[0045]1)將石墨烯和納米金剛石以重量比為5:1分別置於水中，超聲分散3h，分別配製成重量分數為5%的分散液；
[0046]2)將步驟1)中兩種分散液混合，並加入佔石墨烯和納米金剛石總重量的1/5的乙烯基酯樹脂，在100°c攪拌均勻，採用溶液澆鑄法並經熱壓成膜，薄膜的厚度為500μπι ;
[0047]3)將上述薄膜放入高溫真空爐中，在保護氣氛下300°C下進行熱處理20min，得到高導熱導電石墨烯薄膜。
[0048]實施例6:
[0049]1)將石墨烯和納米金剛石以重量比為10:1分別置於水中，超聲分散0.5h，分別配製成重量分數為10%的分散液；將佔石墨烯和納米金剛石總重量一半的二氧化鈦置於水中，超聲分散3h，配製成重量分數為5%的分散液；
[0050]2)將步驟1)中三種分散液混合,並加入佔石墨烯、納米金剛石和二氧化鈦總重量的22%的乙烯基酯樹脂，在150°C攪拌均勻，採用溶液澆鑄法並經熱壓成膜，薄膜的厚度為
0.5 μ m ；
[0051]3)將上述薄膜放入高溫真空爐中，在保護氣氛下500°C下進行熱處理30min，得到高導熱導電石墨烯薄膜。
【權利要求】
1.一種高導熱導電石墨烯薄膜，其特徵在於，所述高導熱導電石墨烯薄膜為採用石墨烯和納米金剛石改性製備的厚度為0.5-500 μ m為的薄膜，所述石墨烯與納米金剛石的重量比為1-10:1。
2.根據權利要求1所述的高導熱導電石墨烯薄膜，其特徵在於，所述石墨烯與納米金剛石的重量比為1-5:1。
3.根據權利要求1所述的高導熱導電石墨烯薄膜，其特徵在於，所述高導熱導電石墨烯薄膜的厚度為0.5-100 μ m。
4.根據權利要求1所述的高導熱導電石墨烯薄膜，其特徵在於，所述納米金剛石的粒徑為 20-200nm。
5.根據權利要求1所述的高導熱導電石墨烯薄膜，其特徵在於，所述高導熱導電石墨烯薄膜採用粘結劑製備而成，所述粘合劑包括以下重量百分比的各組分:三聚氰胺樹脂 20-50%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂20-50%和聚吡咯20_50%。
6.一種根據權利要求1-5所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，其特徵在於，包括以下步驟:1)將石墨烯與納米金剛石用硝酸鉀配成重量百分比5-20%的分散液，並加入佔分散液重量百分比為1-5%的表面活性劑，超聲分散10-30min，待用；2)將步驟1)超聲分散後的分散液加入到由重量百分比分別為雙酚A環氧乙烯基樹脂30-50%、雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂30-50%和聚吡咯30-50%組成的粘合劑中，在80_120°C下攪拌均勻，待用；3)將步驟2)的混合液在基板上塗覆，紫外固化成膜，得高導熱導電石墨烯薄膜。
7.根據權利要求6所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，其特徵在於，所述步驟3)的基板為陽極氧化鋁基板。
8.根據權利要求7所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，其特徵在於，其特徵在於，所述陽極氧化鋁基板的製備包括以下步驟:取高純鋁板，首先將其在丙酮混合溶液中超聲清洗15-30min，接著拋光，使Ra ^ 0.01ym ;一次鍍膜，並去除陽極氧化鋁薄膜；二次鍍膜並在質量百分比為3-6%的磷酸溶液中擴孔10-20min。
9.根據權利要求8所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，其特徵在於，所述陽極氧化鋁基板表面孔的內徑為20-60nm，孔的間距為40_60nm，孔的深度為2±0.5 μ m。
10.一種根據權利要求1所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備工藝，其特徵在於，所述高導熱導電石墨烯薄膜的製備步驟為:1)將石墨烯和納米金剛石分別置於水中，超聲分散0.5-3h，分別配製成質量分數為5-20%的分散液；2)將步驟1)的兩種分散液混合，然後加入佔石墨烯和納米金剛石總質量的1/5-1/4的乙烯基酯樹脂或環氧樹脂，在80-150°C攪拌均勻，採用溶液澆鑄法並經熱壓成膜；3)將上述薄膜放入高溫真空爐中，在保護氣氛下300-1000°C下進行熱處理10-30min，得到高導熱導電石墨烯薄膜。
【文檔編號】H01B1/18GK103632741SQ201310251710
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年6月21日 優先權日:2013年6月21日
【發明者】唐長林, 王樑 申請人:寧波墨西科技有限公司