一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料及其制备方法，该复合材料由非氧化还原的石墨烯纳米片、高分子基体、分散剂和耦合剂复合而成，并通过施加梯度磁场使石墨烯纳米片于高分子基体内部定向排列。本发明专利技术充分利用石墨烯面内高导热率特性，借由石墨烯朗道抗磁性的作用实现定向排列，在同等添加量前提下，所得的复合材料导热性能远高于其他掺杂以及其他普通石墨烯混合材料。

Orientated graphene super high thermal conductivity composite material and preparation method thereof

The invention discloses a directionally arranged graphene super high thermal conductivity composite material and a preparation method thereof. The composite material is composed of non-redox graphene nanosheets, polymer matrix, dispersant and coupling agent, and the graphene nanosheets are directionally arranged in the polymer matrix by applying gradient magnetic field. The present invention makes full use of the in-plane high thermal conductivity of graphene, realizes directional arrangement by means of Landau diamagnetism of graphene, and the thermal conductivity of the obtained composite material is much higher than that of other doped and other ordinary graphene mixtures under the premise of the same amount of addition.

【技术实现步骤摘要】
一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料及其制备方法
本专利技术涉及到导热材料的
，特别涉及到一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料及其制备方法。
技术介绍
导热问题一直是电子工业领域以及材料领域迫切关注的话题，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。目前以公开的导热塑料相关专利大多以金属氧化物陶瓷粉体、碳纤维以及石墨作为掺杂物，由于其热导率小(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)。石墨烯作为一种由碳原子以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，因其具有优异的物理及化学性能和潜在的应用而成为国内外研究的热点。其中石墨烯的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))。因此石墨烯复合高分子导热材料可以实现极高的导热性能。如专利20141022171.9公开了一种绝缘导热塑料及其制备方法，采用将改性石墨烯加入塑料制备过程中，使的所得的石墨烯复合塑料具有良好的导热性能。但由于上述方法中所使用的石墨烯为氧化还原石墨烯粉体，具有大量的缺陷和未完全还原的-CO、-OH和-COOH等官能团，这些缺陷和官能团会大幅度影响石墨烯的晶格质量，降低面内声子传递速度增加了声子散射几率，从而大幅度的影响石墨烯的热导率。因此，此种方法所制备的石墨烯粉体面内热导率小于1000W/(m·K)，远小于其理论值。因此所复合得到的塑料的热导率也仅有10-20W/(m·K)。为解决上述问题提高制备石墨烯的热导率，专利201410673428.2公开了一种石墨烯复合热导塑料及其制备方法，上述专利采用单一同位素13C通过镍催化制备出高质量具有高导热性的石墨烯材料，再与高分子机体，耦合剂和分散剂复合制备出具有一定热导性的石墨烯复合导热塑料。一方面采用化学气相沉积法制备的石墨烯具有产量低成本高的问题，另一方面更重要一个问题，石墨烯作为一种平面二维材料，其高热导率仅为面内热导率，而垂直于石墨烯面方向热导率极小不到10W/(m·K)，因此随机分布的石墨烯纳米片由于非基面方向热导率极小的原因，使得整体热导率会相互抑制并抵消，导致该方法所制备的石墨烯复合塑料并不能充分利用石墨烯高热导特性以至于其复合材料热导率受到大幅度限制。使得利用专利201410673428.2公开的方法所制备得到的石墨烯复合导热塑料热导率小于20W/(m·K)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种抗磁定向排列石墨烯复合高热导率材料，具有及其优良的导热性能。为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料，该复合材料由非氧化还原的石墨烯纳米片、高分子基体、分散剂和耦合剂复合而成；其中所述石墨烯纳米片于所述复合材料中的质量分数为1～10％，并通过梯度磁场的作用于所述高分子基体内部定向排列。可选的，所述石墨烯纳米片的层数为1～10层，厚度为0.4nm～4nm。可选的，所述高分子基体是PE、PC、PP、ABS、尼龙中的至少一种。可选的，所述分散剂是N-甲基吡咯烷酮、DMA中的至少一种，于所述复合材料中的质量分数为10～20％。可选的，所述耦合剂是聚乙烯吡咯烷酮，于所述复合材料中的质量分数为0.5％～5％。上述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，利用直接液相剥离法制备非氧化还原的石墨烯纳米片的分散液；(2)将石墨烯纳米片的分散液与高分子基体和耦合剂均匀混合形成石墨烯-塑料混合物；(3)将混合物注入模具或塑性设备中并施加梯度磁场，使得石墨烯纳米片定向排列，固化后形成定向排列石墨烯超高热导率复合材料。可选的，所述梯度磁场为锥形梯度磁场。可选的，所述梯度磁场的强度为0.3-3特斯拉。本专利技术的有益效果为：(1)将石墨烯纳米片置于梯度磁场下，由于石墨烯朗道抗磁性的作用，石墨烯纳米片会受到一个转动力矩，并由高能态向低能态转换，直至石墨烯纳米片取向平行于梯度磁场梯度方向，此时达到能量最低态，趋于稳定，从而实现在高分子基体内部的定向排列，充分利用石墨烯面内高导热率特性，在同等添加量前提下，所得的复合材料导热性能远高于其他掺杂以及其他普通石墨烯混合材料。(2)通过直接剥离高定向热解石墨制备得到高质量无缺陷非氧化还原石墨烯，保证了上述石墨烯极好的导热性能，使得上述方法制备的石墨烯面内导热率高达4800W/(m·K)，所得的复合材料具有超高热导性能。(3)制备方法简单，可控性强。附图说明图1为本专利技术制备方法的工艺流程图。图2为本专利技术石墨烯纳米片的扫描电子显微镜表征图。图3为本专利技术石墨烯纳米片的拉曼表征图。图4为本专利技术制备方法的原理示意图；图5为磁场梯度与磁场强度空间分布图；图6为本专利技术实施例得到的石墨烯-PE塑料混合物的实物图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步解释。参考图1，本专利技术高定向排列石墨烯超高热导率复合材料的制备方法，是将高定向热解石墨分散于分散剂中，利用直接液相剥离法制备非氧化还原的石墨烯纳米片；将石墨烯纳米片的分散液与高分子基体和耦合剂均匀混合形成石墨烯-塑料混合物；将混合物注入模具或塑性设备中并施加梯度磁场，使得石墨烯纳米片定向排列，固化后形成定向排列石墨烯超高热导率复合材料。按质量百分比，其比例为：石墨烯纳米片1～10％，分散剂10～20％，耦合剂0.5％～5％，其余为高分子基体。可选的，石墨烯纳米片的层数为1～10层，厚度为0.4nm～4nm，图2为制得的石墨烯纳米片的扫描电镜图，图3为石墨烯纳米片的拉曼表征图；高分子基体是PE、PC、PP、ABS、尼龙中的至少一种；分散剂是N-甲基吡咯烷酮、DMA中的至少一种；耦合剂是聚乙烯吡咯烷酮。参考图4，由于石墨烯纳米片具有朗道抗磁性，在梯度磁场控制下受到抗磁力作用由高能态转向低能态最后稳定平行于磁场梯度方向，从而在高分子基体内部定向排列。其中梯度磁场为锥形梯度磁场，强度为0.3-3特斯拉。参考图5，为举例的不同强度的锥形梯度磁场的磁场强度空间分布。实施例1将高质量高定向热解石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中，利用直接液相剥离法制备非氧化还原的高质量石墨烯纳米片；将石墨烯纳米片的分散液与PE和聚乙烯吡咯烷酮均匀混合形成石墨烯-塑料混合物；将混合物注入模具或塑性设备中并施加梯度磁场(1.5特斯拉)，使得石墨烯纳米片定向排列，固化。所述石墨烯纳米片的质量分数为2.5％，N-甲基吡咯烷酮质量分数为15％，聚乙烯吡咯烷酮质量分数为3％。作为对比实施例，组成不变，将高定向热解石墨分散于N-甲基吡咯烷酮中，利用直接液相剥离法制备非氧化还原的石墨烯纳米片；将石墨烯纳米片的分散液与高分子基体和聚乙烯吡咯烷酮均匀混合形成石墨烯-塑料混合物；将混合物注入模具或塑性设备中，固化，得到非定向排列石墨烯复合材料。实施例2石墨烯纳米片的质量分数为5％，其余同实施例1。同样设置对比实施例。实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料，其特征在于：由非氧化还原的石墨烯纳米片、高分子基体、分散剂和耦合剂复合而成；其中所述石墨烯纳米片于所述复合材料中的质量分数为1～10％，并通过梯度磁场的作用于所述高分子基体内部定向排列。

【技术特征摘要】
1.一种定向排列石墨烯超高热导率复合材料，其特征在于：由非氧化还原的石墨烯纳米片、高分子基体、分散剂和耦合剂复合而成；其中所述石墨烯纳米片于所述复合材料中的质量分数为1～10％，并通过梯度磁场的作用于所述高分子基体内部定向排列。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述石墨烯纳米片的层数为1～10层，厚度为0.4nm～4nm。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述高分子基体是PE、PC、PP、ABS、尼龙中的至少一种。4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述分散剂是N-甲基吡咯烷酮、DMA中的至少一种，于所述复合材料中的质量分数为10～20％。5.根据权利要求1所述的复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：田博，
申请(专利权)人：厦门十一维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35