一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法技术

本发明专利技术提出一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法。该方法采用天然鳞片石墨为主要原料，利用尿素进行插层改性，通过双螺杆振动挤出机进行剪切剥离，利用尿素在加热条件下快速分解放出大量的气体，使大量的石墨层发生剥离，通过不同阶段的温度控制，将鳞片石墨逐层剥离成石墨烯微片，减少石墨烯微片的结构缺陷，提高石墨烯的导热性能；然后通过有机微胶囊对石墨烯微片进行包覆，降低了石墨烯的导电性，提高了石墨烯微片与导热塑料高分子的相容性，提高石墨烯的利用率，降低石墨烯在导热塑料中的应用成本。本发明专利技术采用机械剥离法制备的石墨烯微片，结构缺陷小，导热性能高，且整个工艺过程安全可靠，成本低廉，环保，具有显著的市场应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯材料领域，具体涉及导热塑料专用石墨烯材料，特别是涉及一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法。
技术介绍
自从2004年石墨烯被英国曼彻斯特大学科学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现，一直成为人们研究的热点。石墨烯是由一层碳原子以sp2杂化形成的蜂窝状六角平面结构的二维材料，其厚度仅为0.335nm，是目前世界上已知的最薄材料。石墨烯具有高的力学模量（1.0TPa）、热导率（5300W/m·K）、比表面积（2630m2/g）和电荷迁移率（250,000cm2/V·s），在能源、电子材料、生物医学以及环境保护等诸多领域具有潜在的应用前景。导热塑料具有易成型、密度低、绝缘耐高压、使用方便等特点，在电力工业、电子工业等领域中有着越来越广泛的应用前景和潜力，尤其是在LED泡灯、电池组散热外壳等产品中被广泛采用。导热塑料中的高分子材料大多是热的不良导体，要拓展其在导热领域的应用，必须对高分子材料进行改性。石墨烯作为一种导热材料与高分子基体复合，得到了性能较好的导热塑料。目前，主要是在高分子材料加入石墨烯粉末，因为碳具有良好的热传导性能，使得经过石墨烯改性处理的高分子材料也具有良好的导热性能。中国专利公开号CN104072868A公开了一种类石墨烯改性导热塑料及其制备方法，类石墨烯改性导热塑料的组份包括80%～90%的塑料基材和10%～20%的类石墨烯，其中类石墨烯是由天然石墨鳞片进行化学酸化处理，用强氧化插层剂插入天然石墨层间，在800～1200℃的高温环境下进行热处理形成蠕虫状的石墨，在塑料基材中能均匀分布，并与塑料高分子形成网状结构，使得本专利技术最大程度的保留塑料的各项机械性能，并具有良好的导热性能。中国专利公开号CN104017331A公开了一种绝缘导热塑料及其制备方法，采用正硅酸四乙酯的无水乙醇溶液改性石墨烯，并在塑料制备过程中分段式加入改性石墨烯以及选择改性石墨烯的合适用量，使得所得塑料具有优异的绝缘性和导热性。上述技术中所使用的石墨烯粉体是以石墨为原材料，通过剧烈的氧化插层、膨胀还原制得。目前，应用在导热塑料中的石墨烯材料大部分采用化学氧化法制备的，采用该方法制备的石墨烯，由于经过强烈的氧化过程，造成石墨烯结构的大量缺陷，导致石墨烯性能的大幅度下降。另外氧化的石墨烯即使经过还原，石墨烯中仍还有部分未还原的氧化基团，这些结构缺陷和氧化基团破坏了石墨烯晶格的完整性，从而极大地降低了石墨烯的热导率。而且目前石墨烯材料价格昂贵、产率低、制备过程繁琐等缺点很大的限制了其在导热塑料工业上的应用。石墨烯微片一般是指碳层数多于10层、厚度在5-100纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体。石墨烯微片保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，具有超大的形状比(直径／厚度比)，且具有纳米厚度，因此具有优异的机械强度、导电、导热性能等。这使得石墨烯微片作为添加剂与高分子材料复合形成，使其拥有优良的导热性能，从而得到性能优异的导热材料。因此，本专利技术的目的是采用机械剥离法制备一种高质量石墨烯微片，以达到在导热塑料中的应用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法，该方法以天然鳞片石墨为主要原料，利用尿素进行插层改性，通过双螺杆振动挤出机进行剪切剥离，利用尿素在加热条件下快速分解放出大量的气体，使大量的石墨层发生剥离，通过不同阶段的温度控制，将鳞片石墨逐层剥离成石墨烯微片，减少石墨烯微片的结构缺陷，提高石墨烯的导热性能；然后通过有机微胶囊对石墨烯微片进行包覆，降低了石墨烯的导电性，提高了石墨烯微片与导热塑料高分子的相容性，提高石墨烯的利用率，降低石墨烯在导热塑料中的应用成本。本专利技术制备的石墨烯微片可以直接添加到导热塑料中，解决了目前石墨烯应用到导热塑料中必须通过溶液分散的问题。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法，其特征在于：采用天然鳞片石墨为主要原料，通过尿素插层改性，利用双螺杆振动挤出机剪切剥离获得石墨烯，然后通过有机微胶囊包覆处理得到粉末状导热塑料专用石墨烯微片，具体制备方法如下：（1）将70~80重量份的天然鳞片石墨、10~15重量份的纳米无机粉体、5~10重量份的硬脂酸盐通过膨化挤压机混合30~50min得到预混物；（2）将步骤（1）得到的预混物与浓度为10~20mol/L的尿素溶液按1：5~10的质量比混合后，在60~80℃、搅拌下反应1~2h，离心分离，所得沉淀物用无水乙醇洗涤、干燥后，制得尿素插层石墨复合物；然后将尿素插层石墨复合物泵入双螺杆振动挤出机，双螺杆振动挤出机由进料端向出料端依次设置研磨段、插层段、剥离段，控制研磨段温度60~80℃；插层段温度150~180℃；剥离段温度180~360℃；在螺杆挤出机挤出过程中，插层在石墨复合物中的尿素分解释放出大量的气体，使大量的石墨层发生剥离，通过振动挤出机的高速旋转剪切力场和振动拉伸力场，使已发生剥离的鳞片石墨快速剥离成石墨烯微片；（3）将步骤（2）经双螺杆振动挤出机得到的石墨烯微片加入到80~100份的有机聚合物水溶液中，在60～80℃搅拌分散20~40min，然后冷却、静置、抽滤，在60~80℃干燥，得到有机微胶囊包覆的石墨烯微片；（4）将步骤（3）得到的有机微胶囊包覆的石墨烯微片粉碎至粒径小于10μm的粉末，即可作为导热塑料专用石墨烯微片。所述的天然鳞片石墨为径向尺寸大于50微米、碳含量大于97%的鳞片石墨。所述的纳米无机粉体为纳米氧化铝、纳米氮化铝、纳米氮化硼、纳米二氧化硅中的至少一种。所述的硬脂酸盐为水性硬脂酸盐，包括水性硬脂酸镁、硬脂酸钠、水性硬脂酸锌、水性硬脂酸酰胺中的至少一种。所述的有机聚合物水溶液中有机聚合物的含量为10~30%；所述的有机聚合物为聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺、离子型水溶性环氧树脂、阿拉伯胶中的至少一种。所述双螺杆振动挤出机的转速为1000~1500rpm。本专利技术一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法，以天然鳞片石墨为主要原料，利用尿素进行插层改性，削弱了鳞片石墨层之间的作用力；设置双螺杆振动挤出机不同阶段的控制温度，使插层于鳞片石墨层间的尿素快速分解而释放出大量的氨气及少量的缩二脲、三聚氰酸，大量气体的快速释放使得绝大多数的鳞片石墨层发生剥离；再次经过剥离阶段，使缩二脲、三聚氰酸熔融分解，使插层阶段未剥离的鳞片石墨层再次发生剥离，从而实现鳞片石墨的逐层剥离，减少石墨烯的结构缺陷，提高石墨烯的导热性能。将得到的石墨烯微片分散在水溶性有机聚合物，形成有机微胶囊包覆的石墨烯微片，有利于石墨烯微片与塑料高分子相容，可直接添加到导热塑料中，无需进行溶液分散处理，提高石墨烯微片在导热塑料中的利用率，提高导热塑料的机械强度和导热性能。本专利技术制备方法获得的石墨烯微片经过氨基改性处理，易于高分子材料复合形成导热塑料。将本专利技术方法获得的石墨烯微片以10%添加到聚酰胺尼龙导热塑料体系后，导热塑料的机械强度和导热性能大幅提高，其物理性能参数如表1所示。表1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法，其特征在于：采用天然鳞片石墨为主要原料，通过尿素插层改性，利用双螺杆振动挤出机剪切剥离获得石墨烯，然后通过有机微胶囊包覆处理得到粉末状导热塑料专用石墨烯微片，具体制备方法如下：（1）将70~80重量份的天然鳞片石墨、10~15重量份的纳米无机粉体、5~10重量份的硬脂酸盐通过膨化挤压机混合30~50min得到预混物；（2）将步骤（1）得到的预混物与浓度为10~20 mol/L 的尿素溶液按 1：5~10 的质量比混合后，在60~80℃、搅拌下反应 1~2h，离心分离，所得沉淀物用无水乙醇洗涤、干燥后，制得尿素插层石墨复合物；然后将尿素插层石墨复合物泵入双螺杆振动挤出机，双螺杆振动挤出机由进料端向出料端依次设置研磨段、插层段、剥离段，控制研磨段温度60~80℃；插层段温度150~180℃；剥离段温度180~360℃；在螺杆挤出机挤出过程中，插层在石墨复合物中的尿素分解释放出大量的气体，使大量的石墨层发生剥离，通过振动挤出机的高速旋转剪切力场和振动拉伸力场，使已发生剥离的鳞片石墨快速剥离成石墨烯微片；（3）将步骤（2）经双螺杆振动挤出机得到的石墨烯微片加入到80~100份的有机聚合物水溶液中，在60～80℃搅拌分散20~40min，然后冷却、静置、抽滤，在60~80℃干燥，得到有机微胶囊包覆的石墨烯微片；（4）将步骤（3）得到的有机微胶囊包覆的石墨烯微片粉碎至粒径小于10μm的粉末，即可作为导热塑料专用石墨烯微片。...

【技术特征摘要】
1.一种导热塑料专用石墨烯微片的制备方法，其特征在于：采用天然鳞片石墨为主要原料，通过尿素插层改性，利用双螺杆振动挤出机剪切剥离获得石墨烯，然后通过有机微胶囊包覆处理得到粉末状导热塑料专用石墨烯微片，具体制备方法如下：
（1）将70~80重量份的天然鳞片石墨、10~15重量份的纳米无机粉体、5~10重量份的硬脂酸盐通过膨化挤压机混合30~50min得到预混物；
（2）将步骤（1）得到的预混物与浓度为10~20mol/L的尿素溶液按1：5~10的质量比混合后，在60~80℃、搅拌下反应1~2h，离心分离，所得沉淀物用无水乙醇洗涤、干燥后，制得尿素插层石墨复合物；然后将尿素插层石墨复合物泵入双螺杆振动挤出机，双螺杆振动挤出机由进料端向出料端依次设置研磨段、插层段、剥离段，控制研磨段温度60~80℃；插层段温度150~180℃；剥离段温度180~360℃；在螺杆挤出机挤出过程中，插层在石墨复合物中的尿素分解释放出大量的气体，使大量的石墨层发生剥离，通过振动挤出机的高速旋转剪切力场和振动拉伸力场，使已发生剥离的鳞片石墨快速剥离成石墨烯微片；
（3）将步骤（2）经双螺杆振动挤出机得到的石墨烯微片加入到80~100份的有机聚合物水溶液中，在60～80℃搅拌分散20~40min，然后冷却、静置、抽滤，在60~80℃干燥，得到有机微胶囊包覆的石墨烯微...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，孙丽枝，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51