CN103663444A - 一种散热用石墨烯复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种散热用石墨烯复合膜及其制备方法,通过预先在多层高分子薄膜表面涂覆石墨烯浆料,并将涂布好的高分子薄膜层叠放置烘烤,借助高温炭化和石墨化,利用石墨烯在炭化及石墨化过程中的诱导形核作用,降低炭化、石墨化温度及时间的同时制备出高散热效率的石墨烯复合膜。通过本发明的方法制备的散热用石墨烯复合膜材料与市场上同类石墨膜散热材料相比,其制备温度较低、成型时间较快、耗能较低,并能很好地应用于高发热量的电子器件、LED灯具以及液晶显示屏产品中,对现有的膜散热材料具有较好的替代性。

Description

一种散热用石墨烯复合膜及其制备方法
技术领域
本发明属于导热材料技术领域,具体涉及一种散热用石墨烯复合膜及其制备方法。
背景技术
随着电子产品日趋智能及复杂化,其产品内部所需的元器件数量增多,集成度变高。而这种情况带来的直接影响是电子产品在运行过程中产生的热量越来越大。这些热量如果不及时排出,很容易迅速积累而形成高温。高温的产生将大大降低这些电子产品的性能、可靠性和使用寿命。所以电子产品行业对作为热控***核心部件的散热材料的要求越来越高,不但要求散热材料具有高效的散热性能,还必须同时具备质量轻、材料薄、柔韧性好的特点。
在目前电子产品中广泛使用的散热膜材料主要有天然石墨膜和人工石墨膜。
天然石墨膜制备工艺复杂,成型困难,制备出的散热膜柔韧性较差,厚度较厚,不能很好地满足电子产品的设计要求。对于天然石墨膜,中国专利申请CN102730675A公开了一种高导热石墨膜及其制备方法,该技术通过将一定比例的天然石墨和复合氧化剂混合,并通过一系列反应,最后将压延成片的样品炭化及石墨化制备出天然石墨膜。虽然该产品具有很好的导热系数,但是制备出的膜较厚(至少达到100μm)且柔韧性较差,较厚的散热膜材料在电子产品中占据太多空间,直接影响产品的设计结构,在电子产品日益做薄的前提下,天然石墨膜的市场占有率将会越来越低。
人工石墨膜价格过高,主要是由于其制造成本过高。在制备过程中人工石墨膜成型温度过高及成型时间过长导致的高耗能带来了制造成本的上升,该种技术工艺不能满足日益重要的国家节能减排的要求。对于人工石墨膜,中国专利申请CN103080005A公开的石墨膜及其制造方法,该技术通过高温炭化及高温石墨化聚酰亚胺薄膜制备得到人工石墨膜,该散热膜材料膜厚可设计,膜最薄可达到5μm,散热效果非常好,且密度较小,能很好地满足电子产品轻薄的要求,但是该种人工石墨膜的制造成本过高,动辄每平米上千元。制造成本高主要是由于炭化及石墨化过程中大量耗能造成的。该制备方法中炭化温度高达1500℃,石墨化温度高达3000℃,这势必带来高耗能和高成本,导致散热膜材料的价格居高不下。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种散热用石墨烯复合膜,以克服目前使用的天然石墨膜厚度较厚导致无法满足电子产品设计要求以及人工石墨膜制备温度较高、耗能严重导致的价格过高的产品缺点;本发明也提供了一种制备上述散热用石墨烯复合膜的方法。
为了实现上述的目的,发明人通过对未炭化及石墨化的多层高分子薄膜进行创新式预涂石墨烯涂料,在保证制备出的散热膜材料轻薄的同时大大降低了材料炭化及石墨化的温度和时间,降低了制造成本,并且通过该种制备方法使散热膜材料中添加进了高新纳米材料石墨烯。
本发明的基本构思是将高分子薄膜预先涂覆石墨烯,一方面使得最后成型的膜材料中添加进石墨烯形成具有纳米结构的石墨烯复合材料;另一方面涂覆在表面的石墨烯能加强高分子薄膜在热处理过程中炭化和石墨化的能力。基于这两方面的考虑,一方面降低炭化及石墨化的温度和时间,另一方面充分利用石墨烯高导热系数和高柔韧性,使最终散热膜材料具有较好的市场价值。
具体的,本发明提供的散热用石墨烯复合膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)准备若干固定厚度的高分子薄膜,分别将石墨烯浆料均匀涂覆于各高分子薄膜的表面;
(2)将涂覆完毕的高分子薄膜层叠放置后放入烘箱中,60~80℃下烘烤1h以上,形成层叠体;
(3)将烘烤完的层叠体放入炭化炉中,氩气或氮气气氛中,700~1000℃下炭化1h以上;
(4)将炭化后的层叠体放入石墨化炉中,氩气或氮气气氛中,1800~2500℃下石墨化1h以上,得石墨烯复合膜。
优选的,所述的石墨烯浆料为石墨烯的水性或溶剂型浆料,PH值为6.3~7.8。
进一步的,所述的石墨烯比表面积为150~300m2/g。
进一步的,所述的石墨烯平均厚度为3~5nm。
优选的,在各高分子薄膜上涂覆石墨烯浆料的方法为涂布、刷涂、喷涂或浸渍。
优选的,所述高分子薄膜进行层叠的层数为10~200层。
进一步的,每层高分子薄膜厚度为15~30μm。
进一步的,每层高分子薄膜上涂覆的石墨烯浆料厚度为10~20μm。
优选的,所述的高分子薄膜为聚酰亚胺膜(PI)、聚噁二唑膜(POD)或聚丙烯腈膜(PAN)。
本发明也提供了一种通过上述方法制备得到的散热用石墨烯复合膜。
本发明通过预先在多层高分子薄膜表面涂覆石墨烯浆料,并将涂布好的高分子薄膜层叠放置,充分利用石墨烯在高分子薄膜炭化及石墨化过程中起到的诱导形核作用,使得炭化及石墨化的时间和温度大大降低,而制备得到的石墨烯复合膜材料却仍然具有较高的导热系数,良好的柔韧性和优异的机械加工性能。通过该技术制备的散热用石墨烯复合膜材料与市场上同类石墨膜散热材料相比,其制备温度较低、成型时间较快、耗能较低,并能很好地应用于高发热量的电子器件、LED灯具以及液晶显示屏产品中,对现有的膜散热材料具有较好的替代性。
具体实施方式
下面结合实施例,进一步阐述本发明。
实施例1
(1)准备20张聚酰亚胺(PI)薄膜,每张PI薄膜厚度在20μm之间;准备充足的溶剂型石墨烯浆料,该浆料PH值为6.5,石墨烯比表面积为200m2/g,石墨烯平均厚度为5nm。
(2)对每张聚酰亚胺薄膜表面进行石墨烯涂覆,保证涂覆均匀。涂覆的石墨烯厚度在15μm之间。
(3)将预涂完石墨烯的PI膜层叠放置,组成层叠体。
(4)将层叠体放入烘箱中进行烘烤,烘烤温度为80℃,烘烤时间为1h。待溶剂型石墨烯涂料烘干冷却后层叠体即可取出。
(5)将烘烤后的层叠体放置在炭化炉中,并用石墨板夹具固定,并对层叠体施以一定的压力,炭化温度设为700℃,炭化时间4h,炭化时通入氩气作为保护气。
(6)将炭化后的薄膜放置在石墨化炉,如(5)所述仍然以石墨块压住薄膜,并进行石墨化处理,其中石墨化处理的温度为1800℃,石墨化时间5h,石墨化时通入氩气作为保护气。
(7)将最后制备得到的石墨烯复合膜材料按照测试标准ASTM E1461-01进行测试,测试得到的导热系数为1000W/m·K。
实施例2
(1)准备20张聚酰亚胺(PI)薄膜,每张PI薄膜厚度为20μm;准备充足的溶剂型石墨烯浆料,该浆料PH值为6.5,石墨烯比表面积为200m2/g,石墨烯平均厚度为5nm。
(2)对每张聚酰亚胺薄膜表面进行石墨烯涂覆,保证涂覆均匀。涂覆的石墨烯厚度在15μm之间。
(3)将预涂完石墨烯的PI膜层叠放置,组成层叠体。
(4)将层叠体放入烘箱中进行烘烤,烘烤温度为80℃,烘烤时间为1h。待溶剂型石墨烯涂料烘干冷却后层叠体即可取出。
(5)将烘烤后的层叠体放置在炭化炉中,并用石墨板夹具固定,并对层叠体施以一定的压力,炭化温度设为1000℃,炭化时间4h,炭化时通入氩气作为保护气。
(6)将炭化后的薄膜放置在石墨化炉,如(5)所述仍然以石墨块压住薄膜,并进行石墨化处理,其中石墨化处理的温度为2500℃,石墨化时间5h,石墨化时通入氩气作为保护气。
(7)将最后制备得到的石墨烯复合膜材料按照测试标准ASTM E1461-01进行测试,测试得到的导热系数为1900W/m·K。
实施例3
(1)准备20张聚酰亚胺(PI)薄膜。
(2)聚酰亚胺薄膜表面不进行石墨烯涂覆,而直接将其层叠放置。
(3)将层叠好的PI膜放置在炭化炉中,并用石墨板夹具固定,并对层叠体施以一定的压力,炭化温度设为1500℃,炭化时间7h,炭化时通入氩气作为保护气。
(4)将炭化后的薄膜放置在石墨化炉,如(3)所述仍然以石墨块压住薄膜,并进行石墨化处理,其中石墨化处理的温度为3000℃,石墨化时间10h,石墨化时通入氩气作为保护气。
(5)将最后制备得到的膜材料按照测试标准ASTM E1461-01进行测试,测试得到的导热系数为1800W/m·K。
表1各实施例制备石墨烯复合膜的炭化、石墨化的条件及测试结果
Figure BDA0000439812120000061
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种散热用石墨烯复合膜的制备方法,其特征在于,包含以下步骤:
(1)准备若干固定厚度的高分子薄膜,分别将石墨烯浆料均匀涂覆于各高分子薄膜的表面;
(2)将涂覆完毕的高分子薄膜层叠放置后放入烘箱中,60~80℃下烘烤1h以上,形成层叠体;
(3)将烘烤完的层叠体放入炭化炉中,氩气或氮气气氛中,700~1000℃下炭化1h以上;
(4)将炭化后的层叠体放入石墨化炉中,氩气或氮气气氛中,1800~2500℃下石墨化1h以上,得石墨烯复合膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的石墨烯浆料为石墨烯的水性或溶剂型浆料,PH值为6.3~7.8。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述的石墨烯比表面积为150~300m2/g。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于:所述的石墨烯平均厚度为3~5nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:在各高分子薄膜上涂覆石墨烯浆料的方法为涂布、刷涂、喷涂或浸渍。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述高分子薄膜进行层叠的层数为10~200层。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:每层高分子薄膜厚度为15~30μm。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于:每层高分子薄膜上涂覆的石墨烯浆料厚度为10~20μm。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的高分子薄膜为聚酰亚胺膜、聚噁二唑膜或聚丙烯腈膜。
10.一种散热用石墨烯复合膜,其特征在于:由权利要求1~9任一项所述的制备方法制得。
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