CN107446156A - 在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料、其制备方法及其制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料、其制备方法及其制备装置，复合材料包括：膨体聚四氟乙烯膜层和石墨烯涂层，石墨烯涂层复合于膨体聚四氟乙烯膜层表面形成复合材料；制备方法包括以下步骤：1）制备石墨烯涂层用的石墨烯涂层液；2）放卷膨体聚四氟乙烯膜，在膜面上滚涂制备好的石墨烯涂层液；3）烘干、收卷、涂层固化，即完成了复合材料的制备。通过上述方式，本发明是具有薄、轻、拉伸性好和韧性好的新型材料，具有快速导热、传热、散热、高导电性等优异性能；具有高导电性、强度好、超轻薄等特性，具有导电、抗电磁干扰、电磁屏蔽和优异导热散热的功能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料、其制备方法及其制备装置。
背景技术
目前的电子信息产品如精密电子器件、消费电子（手机、摄像机、电脑和彩电）、新能源汽车为解决***的发热散热，经常用的结构就是用优质铝件或铜件传热导热和散热，或产品内部安装风扇强迫通风散热；为解决电子元件内部和外部的电磁干扰问题常采用金属外壳或金属丝网屏蔽结构，这样就是得目前的电子信息产品体积较大，重量较重，成本较大，造成了铜铝资源的紧张。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料、其制备方法及其制备装置，能够具有高导电性、强度好、超轻薄等特性，具有导电、抗电磁干扰、电磁屏蔽和优异导热散热的功能，可以开发出体积更小精致、重量更轻、成本更低的电子信息产品。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料，包括：膨体聚四氟乙烯膜层和石墨烯涂层，石墨烯涂层复合于膨体聚四氟乙烯膜层表面形成复合材料。
在本发明一个较佳实施例中，该复合材料厚度为0.01-0.20mm。
在本发明还涉及一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备石墨烯涂层用的石墨烯涂层液；
2）放卷膨体聚四氟乙烯膜，在膜面上滚涂制备好的石墨烯涂层液；
3）烘干、收卷、涂层固化，即完成了复合材料的制备。
在本发明一个较佳实施例中，放卷速度为1-5m/min。
在本发明一个较佳实施例中，烘干的温度为100℃-200℃。
在本发明一个较佳实施例中，涂层固化的温度为50℃-70℃，时间为至少24h。
在本发明一个较佳实施例中，石墨烯涂层液的组分按重量百分比包括：
聚氨酯树脂 50-70%；
石墨烯微粉 5-40%；
聚苯胺微粉 0-10%；
导电炭黑微粉 0-10%；
在聚氨酯树脂中加入石墨烯微粉、聚苯胺微粉、导电炭黑微粉，用醋酸乙酯做溶剂，直到溶液的粘度指数达到1000-3000CPS就停止添加醋酸乙酯, 在反应釜中稀释搅拌和超声波激荡8-12h，使得溶液中的微粉弥散均匀，然后反应釜抽真空排出溶液中的微气泡，即可进入下道工序，涂布在膨体聚四氟乙烯膜层表面，形成石墨烯涂层。
在本发明一个较佳实施例中，聚苯胺微粉或为聚乙烯二氧噻吩；导电炭黑微粉或为碳气凝胶微粉或为碳纳米管微粉。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备装置，该装置依次包括放卷辊、涂布机、烘干机、收卷辊和涂层固化装置，放卷辊将膨体聚四氟乙烯膜进行放卷至涂布机上，涂布机在聚四氟乙烯膜上涂布石墨烯涂层液，再传送至烘干机上，将涂层液烘干后，由收卷辊进行收卷，最后送至涂层固化装置内进行固化。
在本发明一个较佳实施例中，放卷辊的放卷速度为1-5m/min；放卷辊的放卷速度为1-5m/min；涂层固化装置内的温度为50℃-70℃，固化时间不少于24h。
本发明的有益效果是：本发明是具有薄、轻、拉伸性好和韧性好的新型材料，具有快速导热（导热系数可达5300W/mK）、传热、散热、高导电性（>8000 S/m）等优异性能；具有高导电性、强度好、超轻薄等特性，具有导电、抗电磁干扰、电磁屏蔽和优异导热散热的功能，替代铜铝散热件，就可以开发出体积更小精致、重量更轻、成本更低的的电子信息产品，引领如精密电子器件、消费电子（手机、摄像机、电脑和彩电）、新能源汽车等更适合消费需求的新一代产品推出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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它的附图，其中：
图1是本发明在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备装置一较佳实施例的结构示意图；
附图中各部件的标记如下：1、膨体聚四氟乙烯膜层，2、石墨烯涂层，3、放卷辊，4、涂布机，5、烘干机，6、收卷辊，7、涂层固化装置。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料，包括：膨体聚四氟乙烯膜层1和石墨烯涂层2，石墨烯涂层2复合于膨体聚四氟乙烯膜层1表面形成复合材料。
本发明解决了石墨烯导电传热涂层附着的致密性和牢固性，使得该膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料柔软贴合性好、涂层抗拉扯能力强而无裂纹、材料厚度薄（该复合材料厚度只有0.01-0.20mm）、耐环境老化（可以在-60℃-260℃）且膨体聚四氟乙烯 (ePTFE)无涂层面具有绝缘间隔的功能，膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料在如精密电子器件、消费电子（手机、摄像机、电脑和彩电）、新能源汽车、柔性传感器、三维多孔电极等狭窄空间内电子元件或集成线路板中用来屏蔽电磁干扰和传热导热散热等方面具有潜在应用的价值和巨大的对该产品的需求。
膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜具有天然的化学惰性、防水性、热稳定性和较高的机械强度，卓越的抗蠕变和抗冷流性能，这些特性使得该新颖复合材料在严苛的应用中实现优异的性能。如耐老化，适用对象不被污染，甚至在摩擦、高温或极低温度中时亦可有效抗电磁干扰和导热散热，使得电子信息产品可靠工作。
实施例1：在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备石墨烯涂层用的石墨烯涂层液；
2）以1m/min的速度放卷膨体聚四氟乙烯膜，在膜面上滚涂制备好的石墨烯涂层液；
3）烘干，温度为100℃，收卷、涂层固化，涂层固化的温度为50℃，时间为24h，即完成了复合材料的制备。
石墨烯涂层液的组分按重量百分比包括：
聚氨酯树脂 55%；
石墨烯微粉 35%；
聚苯胺微粉或聚乙烯二氧噻吩 3%；
导电炭黑微粉或碳纳米管微粉或碳纳米管微粉 7%；
在聚氨酯树脂中加入石墨烯微粉、聚苯胺微粉、导电炭黑微粉，用醋酸乙酯做溶剂，直到溶液的粘度指数达到1000-3000CPS就停止添加醋酸乙酯, 在反应釜中稀释搅拌和超声波激荡8-12h，使得溶液中的微粉弥散均匀，然后反应釜抽真空排出溶液中的微气泡，即可进入下道工序，涂布在膨体聚四氟乙烯膜层表面，形成石墨烯涂层。
实施例2：在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备石墨烯涂层用的石墨烯涂层液；
2）以3m/min的速度放卷膨体聚四氟乙烯膜，在膜面上滚涂制备好的石墨烯涂层液；
3）烘干，温度为150℃，收卷、涂层固化，涂层固化的温度为60℃，时间为30h，即完成了复合材料的制备。
石墨烯涂层液的组分按重量百分比包括：
聚氨酯树脂 60%；
石墨烯微粉 40%；
聚苯胺微粉或聚乙烯二氧噻吩 0%；
导电炭黑微粉或碳纳米管微粉或碳纳米管微粉 0%；
在聚氨酯树脂中加入石墨烯微粉、聚苯胺微粉、导电炭黑微粉，用醋酸乙酯做溶剂，直到溶液的粘度指数达到1000-3000CPS就停止添加醋酸乙酯, 在反应釜中稀释搅拌和超声波激荡8-12h，使得溶液中的微粉弥散均匀，然后反应釜抽真空排出溶液中的微气泡，即可进入下道工序，涂布在膨体聚四氟乙烯膜层表面，形成石墨烯涂层。
实施例3：在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备石墨烯涂层用的石墨烯涂层液；
2）以5m/min的速度放卷膨体聚四氟乙烯膜，在膜面上滚涂制备好的石墨烯涂层液；
3）烘干，温度为200℃，收卷、涂层固化，涂层固化的温度为70℃，时间为20h，即完成了复合材料的制备。
石墨烯涂层液的组分按重量百分比包括：
聚氨酯树脂 70%；
石墨烯微粉 10%；
聚苯胺微粉或聚乙烯二氧噻吩 10%；
导电炭黑微粉或碳纳米管微粉或碳纳米管微粉 10%；
在聚氨酯树脂中加入石墨烯微粉、聚苯胺微粉、导电炭黑微粉，用醋酸乙酯做溶剂，直到溶液的粘度指数达到1000-3000CPS就停止添加醋酸乙酯, 在反应釜中稀释搅拌和超声波激荡8-12h，使得溶液中的微粉弥散均匀，然后反应釜抽真空排出溶液中的微气泡，即可进入下道工序，涂布在膨体聚四氟乙烯膜层表面，形成石墨烯涂层。
实施例1-3中：
石墨烯，作为典型的二维层状纳米材料，其平面原子结构和良好的柔性（贴合于表面）使得它与接触表面之间也能产生较高的范德华力，因而可以用来制备超薄导电胶水。
石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。
石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，高导电性（电导率>10000 S/m）远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。
石墨烯具有极高导热系数, 近年来被提倡用于散热等方面, 在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯可使得其局部热点温度大幅下降。美国加州大学一项研究显示 , 石墨烯的导热性能优于碳纳米管。中国科学院山西煤炭化学研究所高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10-200μm之间可控，室温面向热导率高达977 W/m•K，拉伸强度超过15MPa。普通碳纳米管的导热系数可达3000W/mK以上,各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝, 而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK, 甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料 。
聚苯胺微粉或聚乙烯二氧噻吩是用来进一步改善导电性能的导电材料。
导电炭黑微粉或碳气凝胶微粉或碳纳米管微粉同样具有导热和导电的功能，满足电子信息行业不同的需求。
聚乙烯二氧噻吩高分子导电剂：是德国拜耳发现的一个导电聚合物单体，此产品是性能稳定的导电化合物单体，也是导电骨架的基本材料。
高导电率聚苯胺微粉：聚苯胺，高分子化合物的一种，具有特殊的电学、光学性质，经掺杂后可具有导电性。在电子工业、信息工程、国防工程等的开发和发展方面都具有多种用途。聚苯胺的电活性源于分子链中的P电子共轭结构:随分子链中P电子体系的扩大，P成键态和P*反键态分别形成价带和导带，这种非定域的P电子共轭结构经掺杂可形成P型和N型导电态。不同于其他导电高分子在氧化剂作用下产生阳离子空位的掺杂机制，聚苯胺的掺杂过程中电子数目不发生改变，而是由掺杂的质子酸分解产生H+和对阴离子(如Cl-、硫酸根、磷酸根等)进入主链，与胺和亚胺基团中N原子结合形成极子和双极子离域到整个分子链的P键中，从而使聚苯胺呈现较高的导电性。这种独特的掺杂机制使得聚苯胺的掺杂和脱掺杂完全可逆，掺杂度受pH值和电位等因素的影响，并表现为外观颜色的相应变化，聚苯胺也因此具有电化学活性和电致变色特性。聚苯胺经一定处理后，可制得各种具有特殊功能的设备和材料，如可作为生物或化学传感器的尿素酶传感器、电子场发射源、较传统锂电极材料在充放电过程中具有更优异的可逆性的电极材料、选择性膜材料、防静电和电磁屏蔽材料、导电纤维、防腐材料等等。
石墨烯涂层液，具有成分简单、易操作、超薄、不渗透、耐高温、导电性和传热导热快速优异、环保等特点，在开发新型功能纳米器件，如精密电子器件、消费电子（手机、摄像机、电脑和彩电）、新能源汽车、柔性传感器、三维多孔电极中用来屏蔽电磁干扰和传热导热散热等方面具有潜在应用的价值。
膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜具有天然的化学惰性、防水性、热稳定性和较高的机械强度，卓越的抗蠕变和抗冷流性能，这些特性使得该新颖复合材料在严苛的应用中实现优异的性能。如耐老化，适用对象不被污染，甚至在摩擦、高温或极低温度中时亦可有效抗电磁干扰、导电、隔热和导热散热，使得电子信息产品可靠工作。
膨体聚四氟乙烯 (ePTFE)膜是一种具有特殊功能高附加值的高分子新材料薄膜，是特殊工艺双向拉伸制成的，该薄膜的微纤维构成了里外通透的0.1μm-18μm孔径的多纤维层异形微孔。
膨体聚四氟乙烯膜的的制造工艺流程包括：
先将聚四氟乙烯分散树脂与液体助挤剂及染色剂混合，保温在30-35℃熟成，压成柱体毛坯，再通过压延法将柱体毛坯制成薄片，经加热脱去助挤剂，单向拉伸、双向拉伸，最后进行热定型、冷却、收卷，最终制得膨体聚四氟乙烯(ePTFE)微孔薄膜。
本发明还包括在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备装置，如图2所示，该装置依次包括放卷辊3、涂布机4、烘干机5、收卷辊6和涂层固化装置7，放卷辊3以1-5m/min的速度将膨体聚四氟乙烯膜进行放卷至涂布机4上，涂布机4在聚四氟乙烯膜上涂布石墨烯涂层液，再传送至烘干机5上，烘干机5内的温度为100℃-200℃，将涂层液烘干后，由收卷辊6进行收卷，最后送至涂层固化装置7内进行固化，涂层固化装置7内的温度为50℃-70℃，固化时间不少于24h。
通过上述制备装置制备而成的复合材料具有以下有点：
在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料具有薄、轻、拉伸性好和韧性好的新型材料，具有快速导热（导热系数可达5300W/mK）、传热、散热、高导电性（>8000 S/m）等优异性能，该新颖复合材料替代铜铝材料应用是重大创新。
在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料能使消费电子产品体积更小、轻薄、精致；
在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料柔软性好，能在弯曲屏幕上应用备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势，柔性显示未来市场广阔；另一方面，在柔性光伏电池板上应用，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为该新材料在新能源电池行业的应用铺就了道路。
在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料具有高导电性、强度好、超轻薄等特性，具有导电、抗电磁干扰、电磁屏蔽和优异导热散热的功能，本发明替代铜铝散热件，就可以开发出体积更小精致、重量更轻、成本更低的的电子信息产品，引领如精密电子器件、消费电子（手机、摄像机、电脑和彩电）、新能源汽车等更适合消费需求的新一代产品推出。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料，其特征在于，包括：膨体聚四氟乙烯膜层和石墨烯涂层，石墨烯涂层复合于膨体聚四氟乙烯膜层表面形成复合材料。
2.根据权利要求1所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料，其特征在于，该复合材料厚度为0.01-0.20mm。
3.根据权利要求1所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备石墨烯涂层用的石墨烯涂层液；
2）放卷膨体聚四氟乙烯膜，在膜面上滚涂制备好的石墨烯涂层液；
3）烘干、收卷、涂层固化，即完成了复合材料的制备。
4.根据权利要求3所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，放卷速度为1-5m/min。
5.根据权利要求3所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，烘干的温度为100℃-200℃。
6.根据权利要求3所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，涂层固化的温度为50℃-70℃，时间为至少24h。
7.根据权利要求3所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，石墨烯涂层液的组分按重量百分比包括：
聚氨酯树脂 50-70%；
石墨烯微粉 5-40%；
聚苯胺微粉 0-10%；
导电炭黑微粉 0-10%；
在聚氨酯树脂中加入石墨烯微粉、聚苯胺微粉、导电炭黑微粉，用醋酸乙酯做溶剂，直到溶液的粘度指数达到1000-3000CPS就停止添加醋酸乙酯, 在反应釜中稀释搅拌和超声波激荡8-12h，使得溶液中的微粉弥散均匀，然后反应釜抽真空排出溶液中的微气泡，即可进入下道工序，涂布在膨体聚四氟乙烯膜层表面，形成石墨烯涂层。
8.根据权利要求7所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备方法，其特征在于，聚苯胺微粉或为聚乙烯二氧噻吩；导电炭黑微粉或为碳气凝胶微粉或为碳纳米管微粉。
9.根据权利要求1所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备装置，其特征在于，该装置依次包括放卷辊、涂布机、烘干机、收卷辊和涂层固化装置，放卷辊将膨体聚四氟乙烯膜进行放卷至涂布机上，涂布机在聚四氟乙烯膜上涂布石墨烯涂层液，再传送至烘干机上，将涂层液烘干后，由收卷辊进行收卷，最后送至涂层固化装置内进行固化。
10.根据权利要求1所述的在膨体聚四氟乙烯膜面上涂布石墨烯涂层的复合材料的制备装置，其特征在于，放卷辊的放卷速度为1-5m/min；放卷辊的放卷速度为1-5m/min；涂层固化装置内的温度为50℃-70℃，固化时间不少于24h。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 213000 No.8 Qiancao Road, Lijia Town, Wujin District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant after: PANASIAN MICROVENT TECH (JIANGSU) Corp. Address before: 213000, No. 28-8, Sakamoto Road, Sakamoto village, Lijia Town, Wujin District, Jiangsu, Changzhou Applicant before: PANASIAN MICROVENT TECH (JIANGSU) Corp. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171208 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |