CN105482435A - 三维褶皱状石墨烯散热浆料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维褶皱状石墨烯散热浆料、其制备方法及应用。该制备方法包括：将薄层石墨烯通过溶剂作用形成多孔石墨烯聚集体，并在加热后急剧降温，获得三维褶皱状石墨烯块；将所述三维褶皱状石墨烯块粉碎，获得三维褶皱状石墨烯；将三维褶皱状石墨烯与聚合物和/或聚合物的单体复合，形成所述散热浆料。本发明工艺简单，易于规模化生产，而且，因所得三维褶皱状石墨烯散热浆料中采用了三维褶皱状石墨烯，不但增加了复合材料的散热表面积，还可以在垂直方向上有更多的导热通路，使得散热效率大幅提高，可以广泛应用于LED照明，电力、电子、通讯等需要散热的产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热材料及其制备工艺，尤其涉及一种三维褶皱状石墨烯散热浆料及其制备方法，属于纳米技术领域。
背景技术
随着微电子技术微型化，高集成化的趋势，芯片及传感器等核心器件运行频率和消耗功率急剧增加，产生大量热量。此外，一些功率器件功率不断提高，封装散热要求越来越高。在LED和激光器等光电器件领域，导热散热不好，将导致器件结温升高，从而影响效率和寿命。在消费电子产品（电池、手机等）中由于产品储能高，发热量大，热量如果不能及时传导出去，堆积造成局部热点，导致产品的功效不稳定甚至损坏，进而造成电子产品的失效，使用寿命缩短等问题。汽车、航空航天工业中的发动机、刹车片、轮胎等也对导热、散热有很高的要求。
石墨烯作为新兴的二维碳材料，因具有大的比表面积和优异的电学、热学及力学性能,有望在散热方面取得重要的应用。然而，现有的石墨烯散热膜尽管在水平方向上具有令其它金属难以企及的热传导系数，但在垂直方向上其热传导系数很低，一般仅为5-20W/mK，甚至可以被视为隔热材料。
发明内容
鉴于现有技术中的不足，本发明的主要目的在于提供一种在各个方向均具有良好导热性能的三维褶皱状石墨烯散热浆料及其制备方法。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
一种三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将薄层石墨烯通过溶剂作用形成多孔石墨烯聚集体，并在加热后急剧降温，获得三维褶皱状石墨烯块；
（2）将所述三维褶皱状石墨烯块粉碎，获得三维褶皱状石墨烯；
（3）将三维褶皱状石墨烯与聚合物和/或聚合物的单体复合，形成所述散热浆料。
进一步的，步骤（1）包括：将多孔石墨烯聚集体加热至50～500℃，再迅速转移至温度为-200℃～0℃的环境中，冷却时间为5-60s。
进一步的，所述三维褶皱状石墨烯的长宽尺寸为0.01μm～100μm，厚度为1～100层，比表面积为100m2/g-900m2/g。
进一步的，步骤（2）中采用的粉碎方法可选自但不限于机械粉碎、气流粉碎、超声粉碎中的任一种。
进一步的，步骤（3）包括：将三维褶皱状石墨烯及导热添加剂与聚合物复合形成所述散热浆料。
其中，所述聚合物可选自但不限于聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、环氧树脂、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡胶树脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚酰亚胺、尼龙中的任一种或两种以上的组合。
其中，所述导热添加剂可选自但不限于石墨、富勒烯、炭黑、碳纳米管、碳纳米管纤维、碳纤维、氮化硼、氮化铝、碳化硅、锌、铝、铜、银、镍、镉、铁、碳素钢、氧化铝、硅、氧化铍、氮化硅、氧化镁中的任一种或两种以上的组合。
其中，所述石墨优选采用粒径为10nm-1mm的颗粒，所述碳纳米管优选采用长度为10nm-1cm的单壁或多壁碳管，而其它碳材料、金属或非金属材料优选采用粒径为1nm-1mm的颗粒。
进一步的，所述三维褶皱状石墨烯散热浆料包含0.01-90wt%基体组分和0.01-90wt%填料组分，所述基体组分包含聚合物，所述填料组分包含三维褶皱状石墨烯。
进一步的，所述填料组分还包括导热添加剂。
采用前述任一种方法制备的三维褶皱状石墨烯散热浆料。
前述任一种三维褶皱状石墨烯散热浆料在制备光学器件、电子器件或光电器件中的应用。
例如，可以将所述三维褶皱状石墨烯散热浆料应用于手机、电脑、发光二极管、电子器件封装材料等器件的散热。
与现有技术相比，本发明的优点包括：通过采用三维褶皱状石墨烯作为散热涂料的组分，由于石墨烯材料中褶皱状的存在，不但增加了复合材料的表面积，提高了散热效率，还可以在垂直方向上形成较多导热通路，使得在垂直方向上的散热效率大幅提高，因而可以让该三维褶皱状石墨烯散热涂料在垂直方向获得与水平方向相比拟的导热系数，实现在三维方向上的散热，进而可以解决光学器件、电子器件或光电器件在散热方面的问题，并在散热材料领域取得广泛的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中一种三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备工艺流程图；
图2是实施例1中一种三维褶皱状石墨烯的扫描电镜图；
图3是实施例1中一种三维褶皱状石墨烯散热浆料的散热曲线图。
具体实施方案
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，在本发明一典型实施方案之中，该三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法包括：将薄层石墨烯通过溶剂作用形成多孔石墨烯聚集体，再加热到高温，然后急剧冷却形成褶皱状石墨烯块，然后通过球磨、粉碎等方式获得三维褶皱状石墨烯粉体，将该三维褶皱石墨烯或该三维褶皱石墨烯与其它导热添加剂复合材料与聚合物粘结剂复合制备散热浆料。
以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作更为具体的解释说明。
实施例1该三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备工艺包括：
1）1g薄层石墨烯粉体加热至200℃后，迅速放入液氮中形成石墨烯块，气流粉碎形成三维褶皱状石墨烯（其形貌请参阅图2），其比表面积为400㎡/g，然后加入到28g聚氨酯溶液中，机械搅拌15分钟后，加入磷片石墨5g继续机械搅拌45分钟后即得到散热浆料，所得散热浆料在垂直和水平方向上的导热率均为45W/(mK)。
2）5g薄层石墨烯粉体加热至200℃后，迅速放入液氮中形成石墨烯块，气流粉碎形成图2中的三维褶皱状石墨烯，然后加入到60g环氧树脂中，机械搅拌15分钟后，加入20g氧化铝，继续搅拌45分钟，加入60g固化剂搅拌15分钟，得到散热浆料，该散热浆料的散热性能请参阅图3。
本发明工艺简单，易于规模化生产，所得三维褶皱状石墨烯散热浆料具有良好的散热效果，可以广泛应用于LED照明，电力、电子、通讯等需要散热的产品。
需要说明的是，在本文中，在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将薄层石墨烯通过溶剂作用形成多孔石墨烯聚集体，并在加热后急剧降温，获得三维褶皱状石墨烯块；
（2）将所述三维褶皱状石墨烯块粉碎，获得三维褶皱状石墨烯；
（3）将三维褶皱状石墨烯与聚合物和/或聚合物的单体复合，形成所述散热浆料。
2.根据权利要求1所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于步骤（1）包括：将多孔石墨烯聚集体加热至50～500℃，再迅速转移至温度为-200℃～0℃的环境中，冷却时间为5-60s。
3.根据权利要求1所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于所述三维褶皱状石墨烯的长宽尺寸为0.01μm～100μm，厚度为1～100层，比表面积为100m2/g-900m2/g。
4.根据权利要求1所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中采用的粉碎方法包括机械粉碎、气流粉碎、超声粉碎中的任一种。
5.根据权利要求1所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于步骤（3）包括：将三维褶皱状石墨烯及导热添加剂与聚合物复合形成所述散热浆料。
6.根据权利要求5所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于所述聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、环氧树脂、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、橡胶树脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚酰亚胺、尼龙中的任一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求5所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于所述导热添加剂包括石墨、富勒烯、炭黑、碳纳米管、碳纳米管纤维、碳纤维、氮化硼、氮化铝、碳化硅、锌、铝、铜、银、镍、镉、铁、碳素钢、氧化铝、硅、氧化铍、氮化硅、氧化镁中的任一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求7所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于所述石墨采用粒径为10nm-1mm的颗粒，所述碳纳米管采用长度为10nm-1cm的单壁或多壁碳管，而其它碳材料、金属或非金属材料均采用粒径为1nm-1mm的颗粒。
9.根据权利要求1所述的三维褶皱状石墨烯散热浆料的制备方法，其特征在于所述三维褶皱状石墨烯散热浆料包含0.01-90wt%基体组分和0.01-90wt%填料组分，所述基体组分包含聚合物，所述填料组分包含三维褶皱状石墨烯。
10.采用权利要求1-9中任一项所述方法制备的三维褶皱状石墨烯散热浆料。
11.权利要求1-10中任一项所述三维褶皱状石墨烯散热浆料在制备光学器件、电子器件或光电器件中的应用。
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