CN109735308A - 热导率可调的非固化石墨烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料技术领域，涉及热导率可调的非固化石墨烯复合材料及其制备方法与应用。该复合材料包括石墨烯纳米片分散液和有机溶剂，所述石墨烯纳米片和分散剂的质量比为0.05～0.2:1；所述有机溶剂包括N‑甲基吡咯烷酮；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。本发明的热导率可调的非固化石墨烯复合材料中掺杂有非氧化石墨烯，通过磁场调控使其呈定向排列，可以根据需要随时调整非固化石墨烯复合材料热导率。

Description

热导率可调的非固化石墨烯复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及热导率可调的复合导热材料，具体涉及热导率可调的非固化石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

导热一直是工业领域以及材料领域密切关注的话题。在化工领域，通常需要通过外部热源对原料进行加热，当期望热量快速地通过容器传递给原料时，容器需要具备较大的热导率；当加热温度到达工艺设定温度，通常需要进行一段时间的保温，此时容器需要具备较小的热导率；或者在加热过程中需要容器具备较小的导热率以实现高效率加热，散热过程中需要较大的热导率以实现快速冷却。

然而，目前并没有一种有效的热导率可调的材料满足工业领域的需求。对于高导热率材料，目前常用的导热材料大多为铜、铝等金属材料。近年来一些复合导热材料如导热塑料等由于其具备易塑性、重量轻、成本低以及高绝缘性等优点被尝试应用于LED以及锂电池散热等领域相关产品中。目前的导热材料大多以金属氧化物陶瓷粉体、碳纤维以及石墨作为掺杂物，其热导率小(氧化物陶瓷粉等体热导率小于100W/(m·K))、掺杂量受限(碳纤维和石墨掺杂量过高会导致提高其导电性能)等因素导致最终复合而成的导热塑料热导率不到10W/(m·K)。至于保温材料，上世纪末的主流产品是珍珠岩、岩棉类保温材料；目前的主流产品为聚苯板、聚氨酯等有机保温材料；未来，复合型、多功能性隔热保温材料将成为重要的发展方向。

石墨烯作为是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形蜂窝状晶格结构的二维晶体薄膜，仅有一个碳原子厚度，其面内热导率理论预测达到6000W/(m·K),是普通导热材料的10-20倍(常温热导率：铜393.6W/(m·K)；铝238.6W/(m·K))。因此石墨烯复合有机导热材料可以实现极高的导热性能。此外，二维石墨烯面之间依靠范德华力进行相互作用，其二维石墨烯面之间的导热性能很差。

现有的石墨烯复合导热膜需要设置多层导热膜，水平方向和垂直方向的热传导率虽然差异巨大，但是热导率固定，无法在使用过程中调节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，利用石墨烯导热的各向异性，制备热导率可调的有机复合材料以满足工业上的需求。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种热导率可调的非固化石墨烯复合材料，该复合材料包括石墨烯纳米片、分散剂和有机溶剂，所述石墨烯纳米片和分散剂的质量比为0.05～0.2:1，石墨烯纳米片和有机溶剂的质量体积比为1～2mg/mL；

所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。

具体地，所述石墨烯纳米片为非氧化石墨烯的层状堆积体。

本发明提供了上述热导率可调的非固化石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将高定向热解石墨分散于分散剂中，利用高剪切乳化机制备非氧化还原的石墨烯纳米片分散液，高定向热解石墨与分散剂的质量比为1:100；

(2)将步骤(1)制得的石墨烯纳米片分散液与有机溶剂混合，搅拌使其均匀混合成热导率可调的非固化石墨烯复合材料。

上述步骤(1)中高剪切乳化机剥离石墨烯纳米片，包括以下步骤：

通过FLUKO FA25-25G高剪切混合头处理石墨鳞片12小时，10000rpm/min，其中石墨鳞片和N-甲基吡咯烷酮混匀；将整个***放入冰水混合物中以防止在剪切混合过程中过热。剪切完成后放置过夜，取上清液在7000rpm转速下离心1小时，取上清液即获得非氧化还原的石墨烯纳米片分散液。

上述步骤(1)中高定向热解石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中的浓度为100～200mg/mL。

本发明还提供了上述热导率可调的非固化石墨烯复合材料的应用，用于制备通过磁场调控的导热装置。

上述导热装置包括导热部件和感应线圈；

所述导热部件为长方体结构，包括密封钢化玻璃，以及密封在钢化玻璃内部的热导率可调的非固化石墨烯复合材料，所述复合材料完全充满密封钢化玻璃；

所述感应线圈包括沿导热部件长边，分别缠绕于导热部件上部和下部的两个平行线圈，平行线圈相交于导热部件宽边；以及与平行线圈相交，缠绕于钢化玻璃侧部的一个垂直线圈；每个线圈的两端分别设置有导线连接电源正极和负极。

具体地，垂直线圈的匝数为5～50匝。

每个所述平行线圈的匝数与平行线圈垂直的导热部件边沿长度成正比，比值为50～100mm/匝。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

(1)利用本发明方法制备的材料因内部具有定向排布的石墨烯，故具有较高的热导率，能够满足应用中对材料散热性能的要求。

(2)本发明方法制备的材料与传统的固体材料不同，为石墨烯溶液(未固化处理)，其导热是通过热传导和对流的方式同时进行，相对于现有固态复合材料，大幅提升了其导热率。

(3)本发明中的复合材料为非固态，石墨烯的排布可影响其导热性能，因此，可根据生产需要调整其热导率，从而满足不同的需求。

附图说明

图1是本发明导热装置正面结构示意图；

图2是本发明导热装置侧面结构示意图；

图3是本发明导热装置剖视图。

图中各标记如下：1导线、2导线、3导线、4导线、5垂直线圈、6平行线圈、7钢化玻璃、8热导率可调的非固化石墨烯复合材料。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，均采用分析纯试剂，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

一、制备热导率可调的非固化石墨烯复合材料

实施例1

(1)高定向热解石墨与分散剂的质量比为1:100，通过FLUKO FA25-25G高剪切混合头处理石墨鳞片12小时，10000rpm/min，其中石墨鳞片和N-甲基吡咯烷酮混匀，浓度为100mg/mL；将整个***放入冰水混合物中以防止在剪切混合过程中过热。剪切完成后放置过夜，取上清液在7000rpm转速下离心1小时，取上清液即获得非氧化还原的石墨烯纳米片分散液。

(2)将石墨烯纳米片的分散液与N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌使其均匀混合成石墨烯有机混合物，控制石墨烯纳米片和有机溶剂的质量体积比为1～2mg/mL。

实施例2

(1)高定向热解石墨与分散剂的质量比为1:100，通过FLUKO FA25-25G高剪切混合头处理石墨鳞片12小时，10000rpm/min，其中石墨鳞片和N-甲基吡咯烷酮混匀，浓度为150mg/mL；将整个***放入冰水混合物中以防止在剪切混合过程中过热。剪切完成后放置过夜，取上清液在7000rpm转速下离心1小时，取上清液即获得非氧化还原的石墨烯纳米片分散液。

(2)将石墨烯纳米片的分散液与N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌使其均匀混合成石墨烯有机混合物，控制石墨烯纳米片和有机溶剂的质量体积比为1～2mg/mL。

实施例3

(1)高定向热解石墨与分散剂的质量比为1:100，通过FLUKO FA25-25G高剪切混合头处理石墨鳞片12小时，10000rpm/min，其中石墨鳞片和N-甲基吡咯烷酮混匀，浓度为200mg/mL；将整个***放入冰水混合物中以防止在剪切混合过程中过热。剪切完成后放置过夜，取上清液在7000rpm转速下离心1小时，取上清液即获得非氧化还原的石墨烯纳米片分散液。

(2)将石墨烯纳米片的分散液与N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌使其均匀混合成石墨烯有机混合物，控制石墨烯纳米片和有机溶剂的质量体积比为1～2mg/mL。

二、应用热导率可调的有机复合材料的导热装置

实施例4

本实施例所述通过磁场调控的导热装置包括导热部件和感应线圈；

其中，导热部件为长方体结构，包括密封钢化玻璃7，以及密封在钢化玻璃7内部空腔的热导率可调的非固化石墨烯复合材料8，所述复合材料8完全充满密封钢化玻璃7内部空腔；

所述感应线圈包括沿导热部件长边，分别缠绕于导热部件上部和下部的两个平行线圈6，平行线圈6相交于导热部件宽边；以及与平行线圈6相交，缠绕于钢化玻璃侧部的一个垂直线圈5；每个线圈的两端分别设置有导线连接电源正极和负极。

钢化玻璃7的密封方式采用玻璃胶、玻璃自粘胶、医用玻璃粘接胶水等密封胶中的一种。

垂直线圈5的匝数为5～50匝，每个所述平行线圈5的匝数与平行线圈5垂直的导热部件边沿长度成正比，比值为50～100mm/匝。

感应线圈用密封胶固定于钢化玻璃7表面。

本实施例导热装置的具体操作方法如下：

导线1和导线2接通直流电源，保持导线3和导线4和直流电源断开，平行线圈5产生垂直于钢化玻璃7长边和宽边组成平面方向的磁场，从而控制有机溶液中的石墨烯沿垂直于上述平面的方向排布；此时热量通过石墨烯面内进行传递，以及通过有机溶剂的对流和热传导进行传递，其热导率较大；

断开导线1和导线2和直流电源的连接，将导线3和导线4接通直流电源，平行线圈6产生平行于钢化玻璃7长边和宽边组成平面方向的磁场，使得有机溶剂中石墨烯的排列方向平行于上述平面，有机溶剂内的石墨烯排布方向平行于上述平面，此时的热量仅通过有机溶剂进行导热，石墨烯促进导热的作用消失，其导热率较小；

将导线1、导线2、导线3和导线4全部与直流电源断开，此时有机溶剂中石墨烯的排列方向在有机溶剂分子的热运动作用下，而恢复混乱排布，此时的热量通过自然对流和热传导进行传递。

实施例5

下面以实施例2制备的非固化石墨烯复合材料为例作进一步说明。

导热部件的尺寸为200mm*200mm*15mm，垂直线圈5匝数4匝，每个平行线圈6匝数。

钢化玻璃7厚度3mm。

电流强度200A，水平感应磁场强度0.16T，垂直感应磁场强度0.16T。

对上述导热装置进行导热性测试，导线1和导线2接通直流电源，石墨烯垂直于钢化玻璃平面时，其热导率为65.8W/(m·K)；断开导线1和导线2和直流电源的连接，将导线3和导线4接通直流电源，石墨烯平行于钢化玻璃平面时，其热导率为5.8W/(m·K)；将导线1、导线2、导线3和导线4全部与直流电源断开，石墨烯在有机溶剂中非定向排布时，18.8W/(m·K)。

对比例1

当导热装置密封钢化玻璃7中材料为不含石墨烯的聚乙烯吡咯烷酮时，以该材料为例作对比说明。

导热部件的尺寸为200mm*200mm*15mm，垂直线圈匝数4匝，每个平行线圈匝数6匝。

钢化玻璃厚度3mm。

电流强度200A，水平感应磁场强度0.16T，垂直感应磁场强度0.16T。

对上述导热装置进行导热性能测试，其热导率为5.2W/(m·K)。

测试结果表明当向有机溶剂中掺入石墨烯，其导热性能的改变与否取决于石墨烯在有机溶剂中的排布方向。当石墨烯垂直于两侧的钢化玻璃时，其导热性能最好；当石墨烯平行于两侧的钢化玻璃时，石墨烯几乎对有机溶剂的导热性能没有影响；当石墨烯混乱排布时，可在一定程度上提高有机溶剂的导热性能。因此，本发明制备的热导率可调的非固化石墨烯复合材料以及导热装置可以满足工业上的需求。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种热导率可调的非固化石墨烯复合材料，其特征在于，该复合材料包括石墨烯纳米片、分散剂和有机溶剂，所述石墨烯纳米片和分散剂的质量比为0.05～0.2:1，石墨烯纳米片和有机溶剂的质量体积比为1～2mg/mL；

所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。

2.根据权利要求1所述的热导率可调的非固化石墨烯复合材料，其特征在于，所述石墨烯纳米片为非氧化石墨烯的层状堆积体。

3.根据权利要求2所述的热导率可调的非固化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将高定向热解石墨分散于分散剂中，利用高剪切乳化机制备非氧化还原的石墨烯纳米片分散液，高定向热解石墨与分散剂的质量比为1:100；

(2)将步骤(1)制得的石墨烯纳米片分散液与有机溶剂混合，搅拌使其均匀混合成热导率可调的非固化石墨烯复合材料。

4.根据权利要求3所述的热导率可调的非固化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中高剪切乳化机剥离石墨烯纳米片，包括以下步骤：

通过FLUKO FA25-25G高剪切混合头处理石墨鳞片12小时，10000rpm/min，其中石墨鳞片和N-甲基吡咯烷酮混匀；将整个***放入冰水混合物中以防止在剪切混合过程中过热。剪切完成后放置过夜，取上清液在7000rpm转速下离心1小时，取上清液即获得非氧化还原的石墨烯纳米片分散液。

5.根据权利要求3所述的热导率可调的非固化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中高定向热解石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中的浓度为100～200mg/mL。

6.一种基于权利要求3-5任一项所述方法制备的热导率可调的非固化石墨烯复合材料的应用，其特征在于，该复合材料用于制备通过磁场调控的导热装置。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述导热装置包括导热部件和感应线圈；

所述导热部件为长方体结构，包括密封钢化玻璃(7)，以及密封在钢化玻璃(7)内部空腔的热导率可调的非固化石墨烯复合材料(8)，所述复合材料(8)完全充满密封钢化玻璃(7)内部空腔；

所述感应线圈包括沿导热部件长边，分别缠绕于导热部件上部和下部的两个平行线圈(6)，平行线圈(6)相交于导热部件宽边；以及与平行线圈(6)相交，缠绕于钢化玻璃侧部的一个垂直线圈(5)；每个线圈的两端分别设置有导线连接电源正极和负极。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述垂直线圈(5)的匝数为5～50匝。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，每个所述平行线圈(6)的匝数与平行线圈(6)垂直的导热部件边沿长度成正比，比值为50～100mm/匝。