一种导热绝缘纤维素膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高分子膜材料技术领域，为解决传统纤维素纳米纤维材料导热性能差的问题，提供了一种导热绝缘纤维素膜及其制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯，金属盐和去离子水混合，超声分散，加入强碱加热回流，离心、冷冻干燥、高温煅烧，得导热填料；(2)将纤维素纳米纤维与导热填料混合，超声分散；(3)通过真空辅助自组装技术制备导热绝缘复合膜；(4)将导热绝缘复合膜经机械模压、干燥，即制得导热绝缘纤维素复合膜。本发明专利技术采用导热系数极高的石墨烯作为导热填料，为保证其绝缘性，将绝缘导热填料金属盐负载在石墨烯表面，制备得到导热绝缘纤维素膜，该导热绝缘纤维素膜保持高导热的同时绝缘性能优良。

A Thermal Conductive Insulating Cellulose Membrane and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种导热绝缘纤维素膜及其制备方法
本专利技术涉及高分子膜材料
，尤其涉及一种各向异性导热绝缘纤维素膜及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着科技的进步，电子元件及设备趋于小型化、轻量化、集成化、高速化发展，这使得电子器件在使用时将产生更多的热量，而这些热量若不能及时除去，将会影响设备的精度以及使用寿命。因此，提高电子设备的散热性能具有重要意义。高分子材料具有轻质、绝缘性能优异、力学性能良好等优点，广泛应用于电子设备的封装领域。其中，纤维素纳米纤维作为生物基高分子材料，具有良好的生物相容性、优异的力学性能，引起人们的广泛关注。但纤维素纳米纤维材料导热性能差，不能满足电子设备的散热需求，因此，改善其导热性能。中国专利文献上公开了“一种高导热纳米纤维素基电气绝缘复合膜”，其申请公布号为CN107099045A，该专利技术先采用TEMPO氧化结合高压均质技术制备纳米纤维素,再利用浇铸成型的方法在纳米纤维素悬浮液中加填导热绝缘填料制备出导热纳米纤维素基绝缘膜。但是，该专利技术中复合膜的导热系数改善效果不是特别好，当填料添加量为20％时，复合膜的导热系数相较于纯纤维素膜仅提升115.8％。
技术实现思路
本专利技术为了克服传统纤维素纳米纤维材料导热性能差的问题，提供了一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，该方法步骤简单、绿色环保，且易于操作。本专利技术还提供了一种具有各向异性的导热绝缘纤维素膜，高面内导热系数可以使电子元件所产生的热量沿着复合膜平面方向很快地消散，同时，垂直于平面的导热系数较低，这可以防止电子元件受到相邻元件的热量影响。所述导热绝缘纤维素膜保持高导热的同时绝缘性能优良。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯，金属盐和去离子水混合，并超声分散，在剧烈搅拌下，加入强碱并加热回流，随后离心、冷冻干燥、高温煅烧，得导热填料；(2)将纤维素纳米纤维与导热填料混合，得纤维素纳米纤维/导热填料混合料；将纤维素纳米纤维/导热填料混合料于去离子水中超声分散，得纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液；(3)将纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液通过真空辅助自组装技术制备导热绝缘复合膜；(4)将导热绝缘复合膜经机械模压、干燥，即制得导热绝缘纤维素复合膜。本专利技术以氧化石墨烯为反应原料，经高温煅烧还原得到导热系数极高的石墨烯。本专利技术采用导热系数极高的石墨烯作为导热填料，同时，为保证复合膜的绝缘性能，将绝缘导热填料金属盐负载在石墨烯表面，隔断石墨烯的导电通路，只保留其导热性能，从而制备导热绝缘纤维素膜。必须严格按照本专利技术上述的工艺步骤(如加料顺序)才可以得到具有各向异性的导热绝缘纤维素膜。作为优选，步骤(1)中，所述金属盐选自氯化镁、硫酸镁、氯化铝、硫酸铝中的一种。上述金属盐的筛选依据为煅烧后的金属氧化物具有导热绝缘性能，可以作为导热绝缘填料使用。作为优选，步骤(1)中，超声功率控制在100～500W，频率控制在20～60KHz；超声时间控制在30～120min；作为优选，步骤(2)中，超声温度控制在35～50℃；超声频率控制在20～60KHz；超声时间控制在30～120min。超声时间及温度对纤维素纳米纤维在溶剂中的分散影响很大，超声时间过短，会导致纤维素纳米纤维与导热填料不能在溶剂中良好分散；过长会导致填料中还原氧化石墨烯与氧化镁的相互作用减弱，降低两者之间的结合力，这将影响复合膜的电绝缘性能；超声温度过低会导致纤维素纳米纤维分子链的运动缓慢，影响分散；温度过高会导致纤维素纳米纤维分子链的断链、降解。作为优选，步骤(1)中，离心工艺参数为：转速8000～9000r/min，离心时间8～10min。作为优选，步骤(1)中，冷冻干燥包括预冷冻工艺和冷冻工艺；所述预冷冻工艺采用冰箱预冷冻，预冷冻温度为-18℃，时间为4～48h；所述冷冻干燥工艺中冷阱温度为-76℃，冷冻时间为24～72h。冷冻干燥机中冷阱温度是为了让升华的溶剂在冷阱中凝华，防止被真空泵抽走，影响泵的寿命，整个过程叫冷冻干燥，在负压的情况下使固态的溶剂直接升华成气态，从而维持样品形态原貌，避免结构的塌陷。本专利技术冷冻干燥采用分步的方法，其中预冷冻优选冰箱预冷冻，而不用液氮预冷冻，是因为液氮冷冻过程温度骤降，过于暴力，可能会影响两种导热填料之间的相互作用，导致其结合力变弱。作为优选，步骤(1)中，高温煅烧气氛为惰性气体；高温煅烧温度为400～600℃，优选600℃，高温煅烧时间为2～4h，优选2h。选用惰性气体煅烧是因为填料中的氧化石墨烯在高温下能被空气中的氧气所氧化从而导致热氧降解破坏其碳结构；煅烧温度低于400℃，会导致氢氧化镁不能脱水成氧化镁，同时氧化石墨烯还原效率低；高于600℃，会导致还原氧化石墨烯片层破坏较多，尺寸较小，产生过多的缺陷。作为优选，步骤(2)中，以纤维素纳米纤维/导热填料混合料总质量为基准，所述导热填料的添加量为5～20wt％；所述纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液中纤维素纳米纤维的浓度为0.1～1wt％。导热填料的添加比例很关键，加入量过低会导致导热网络不能够被搭建，导热系数改善不明显，加入量过高，会导致复合膜的力学性能下降过多，影响使用。纤维素纳米纤维的添加比例也很关键，加入量过低会导致复合膜的韧性下降，不利于加工使用，加入量过高，会导致导热系数低。作为优选，步骤(2)中，所述真空辅助自组装技术以PP膜为滤膜，真空度控制在-0.08～-0.1Mpa，控制在该范围是为了使纤维素纳米纤维与导热填料能够进行层层排列，真空度过高，会导致纤维素与填料出现选择性排列，破坏其导热网络的均匀形成，过低会导致复合膜的制备过程时间过长，影响效率。作为优选，步骤(4)中，机械模压为40～50kPa；干燥温度为室温。作为优选，步骤(1)中，所述强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种。一种采用上述任一所述的导热绝缘纤维素膜的制备方法制得的导热绝缘纤维素膜。因此，本专利技术具有如下有益效果：(1)制备方法简单、绿色环保，且易于操作；(2)本专利技术采用导热系数极高的石墨烯作为导热填料，为保证其绝缘性，将绝缘导热填料金属盐负载在石墨烯表面，制备得到导热绝缘纤维素膜，该导热绝缘纤维素膜保持高导热的同时绝缘性能优良；(3)本专利技术制备的导热绝缘纤维素膜具有各向异性，高面内导热系数可以使电子元件所产生的热量沿着复合膜平面方向很快地消散，同时，垂直于平面的导热系数较低，这可以防止电子元件受到相邻元件的热量影响。具体实施方式下面通过具体实施例，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。在本专利技术中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。本专利技术以下实施例及对比例所用纤维素纳米纤维购自中山纳纤丝新材料有限公司，生产批号为NFC1802Z。实施例1(1)将0.1g氧化石墨烯、2g六水氯化镁、100mL去离子水置于装有恒压滴液漏斗、回流冷凝器的250mL三口烧瓶中，室温下超声分散1h，在剧烈搅拌下，加入100mL浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液并升温至80℃使溶液回流12h，随后以转速9000r/min离心8min、冷冻干燥；冷冻干燥包括预冷冻工艺和冷冻干燥工艺；预冷冻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯，金属盐和去离子水混合，并超声分散，在剧烈搅拌下，加入强碱并加热回流，随后离心、冷冻干燥、高温煅烧，得导热填料；(2)将纤维素纳米纤维与导热填料混合，得纤维素纳米纤维/导热填料混合料；将纤维素纳米纤维/导热填料混合料于去离子水中超声分散，得纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液；(3)将纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液通过真空辅助自组装技术制备导热绝缘复合膜；(4)将导热绝缘复合膜经机械模压、干燥，即制得导热绝缘纤维素复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氧化石墨烯，金属盐和去离子水混合，并超声分散，在剧烈搅拌下，加入强碱并加热回流，随后离心、冷冻干燥、高温煅烧，得导热填料；(2)将纤维素纳米纤维与导热填料混合，得纤维素纳米纤维/导热填料混合料；将纤维素纳米纤维/导热填料混合料于去离子水中超声分散，得纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液；(3)将纤维素纳米纤维/导热填料混合分散液通过真空辅助自组装技术制备导热绝缘复合膜；(4)将导热绝缘复合膜经机械模压、干燥，即制得导热绝缘纤维素复合膜。2.根据权利要求1所述的一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属盐选自氯化镁、硫酸镁、氯化铝、硫酸铝中的一种。3.根据权利要求1所述的一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，超声时间控制在30～120min；步骤(2)中，超声温度控制在35～50℃；超声时间控制在30～120min。4.根据权利要求1所述的一种导热绝缘纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，离心工艺参数为：转速8000～9000r/min，离心时间8～10min。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马猛，王旭，徐琳，陈思，施燕琴，何荟文，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33