一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法，即以石墨烯为主体，以聚酰亚胺作为焊接剂和填充剂，通过焊接扩大石墨烯片层尺寸，同时聚酰亚胺作为填充剂填充在石墨烯薄膜中的空隙，最终得优选厚度为17‑21μm、导热率为845‑1133 W·m

Graphene / polyimide composite film and preparation method thereof

The invention discloses a graphene / polyimide composite film and its preparation method, namely using graphene as the main body, with polyimide as welding agent and filler, by welding to expand graphite size, and polyimide as a filler gap in graphene films, finally optimized the thickness of 17 m, 21 the thermal conductivity is 845 1133 W - m

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种导热薄膜的制备技术，具体为一种利用聚酰亚胺作为焊接剂和填充剂对石墨烯片层进行焊接和填充石墨烯薄膜空隙，以提高石墨烯薄膜在平面内的高导热性能，制备出一种有着高导热率的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜。
技术介绍
石墨烯是呈二维蜂窝状晶格结构的单层碳原子，它是构建其他炭材料的基本结构单元。由于其独特的导热性能、力学性能和化学稳定性，石墨烯在导热薄膜、导热界面材料、导热中间相填充物等功能材料中有广泛的应用前景。自2004年，英国曼彻斯特大学研究组首次获得稳定存在的石墨烯后，石墨烯迅速成为材料科学和凝态物理研究领域的热点。目前已经测得的单层石墨烯片层内的热导率为5300W·m-1·K-1。随着可穿戴电子产品的飞速发展，目前的散热片已经无法满足高功率电子器件的散热需求。所以，制备高导热率的散热薄膜并寻求一条工艺简单、可工业化制备的方法是非常具有重要的战略意义，同时也是非常迫切的任务。而目前，商用的导热薄膜主要是导热石墨膜，其热导率只能达到300-800W·m-1·K-1左右。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于为了解决上述石墨烯薄膜的热导率低等技术问题而提供一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，该石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜具有较高的导热率。本专利技术的目的之二在于提供上述石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，该方法先利用聚酰亚胺对石墨烯片层的进行焊接，经过亚胺化、碳化和石墨化处理后得到石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，聚酰亚胺填充在石墨烯薄膜内部的孔隙，从而减少薄膜内的热阻，提高薄膜的热导率。本专利技术的技术方案一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，即以石墨烯为主体，添加少量聚酰亚胺作为石墨烯片层的焊接剂，扩大石墨烯的片层同时填充薄膜中的空隙，具体方法为：首先将氧化石墨烯和聚酰胺酸均匀混合，在液相中进行蒸发界面自组装形成氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜，得到的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜，再依次通过亚胺化、碳化和石墨化将氧化石墨烯还原成石墨烯，同时将聚酰胺酸转变为聚酰亚胺，最终得到的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜。上述的一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，具体包括步骤如下：(1)、将氧化石墨烯均匀分散在N,N-二甲基甲酰胺中，得到氧化石墨烯分散液；上述氧化石墨烯和N,N-二甲基甲酰胺的用量，按质量比计算，氧化石墨烯：N,N-二甲基甲酰胺为1:10；(2)、将4,4’-二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐分别溶于N,N-二甲基甲酰胺中，分别得到浓度为0.2g/ml的4,4’-二氨基二苯醚溶液和浓度为0.2g/ml的均苯四甲酸二酐溶液；然后控制滴加速率为0.2ml/min将均苯四甲酸二酐溶液缓慢滴入4,4’-二氨基二苯醚溶液中，常温搅拌下使均苯四甲酸二酐与4,4’-二氨基二苯醚进行反应2h，得聚酰胺酸溶液；上述4,4’-二氨基二苯醚溶液和均苯四甲酸二酐溶液的用量，按4,4’-二氨基二苯醚溶液中的4,4’-二氨基二苯醚：均苯四甲酸二酐溶液中的均苯四甲酸二酐为1:1的比例计算；(3)、向步骤(1)所得的氧化石墨烯分散液中加入步骤(2)所得的聚酰胺酸溶液，然后控制温度为50-80℃进行蒸发界面自组装4-8h，得到的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜；聚酰胺酸溶液的用量，按聚酰胺酸溶液：氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯的质量比为1-50：100的比例计算；(4)、将步骤(3)所得的压片后的薄膜放入热压烧结炉中，在15MPa压力，氮气气氛保护下先以0.5-2℃/min的升温速率升温至170～350℃进行亚胺化1-4h，然后再以5-10℃/min的升温速率升温至700-1000℃进行热压碳化1h，得到碳化后的薄膜；(5)、将步骤(4)得到的碳化后的薄膜，放入石墨化炉中，在常压氩气气氛保护下以20℃/min的升温速率升温至2000-2800℃进行石墨化40-120min，然后自然冷却至室温，取出，即得石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜粗品；(6)、将步骤(5)得到的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜粗品用压片机以30MPa压力延压1-30min，即得石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品。经测定，上述所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品，厚度为17-30μm，平面内热导率最高能达到1133W·m-1·K-1，比纯石墨烯薄膜的热导率提高42.5％。由于上述所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜具有高的导热率，从而为石墨烯薄膜在可穿戴电子设备以及高功率器件等的导热散热领域的应用奠定了基础。本专利技术的有益技术效果本专利技术的一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，由于制备过程中以氧化石墨烯为主体，以聚酰亚胺作为焊接剂和填充剂，通过焊接扩大石墨烯片层尺寸，同时聚酰亚胺作为填充剂填充在石墨烯薄膜中的空隙，从而形成石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，最终所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的导热率高，可达731-1133W·m-1·K-1，比纯石墨烯薄膜的热导率651W·m-1·K-1提高10.9％-42.5％，优选的导热率高，可达963-1133W·m-1·K-1。进一步，本专利技术的一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，由于具有高的导热率，从而为石墨烯薄膜在可穿戴电子设备以及高功率器件等的导热散热领域的应用奠定了基础。附图说明图1、对照实施例1步骤(2)所得的氧化石墨烯薄膜、对照实施例1步骤(5)所得的纯石墨烯薄膜成品、实施例2步骤(3)所得的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜、实施例2步骤(6)所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品的扫描电镜图；图2、对照实施例1和实施例2的步骤(1)所用的原料氧化石墨烯，实施例2的步骤(2)所得的聚酰胺酸溶液，实施例2步骤(3)所得的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜和实施例2步骤(6)所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品的红外光谱图；图3、对照实施例1步骤(2)所得的氧化石墨烯薄膜、对照实施例1步骤(5)所得的纯石墨烯薄膜成品、实施例2步骤(3)所得的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜、实施例2步骤(6)所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品的拉曼光谱图；图4、对照实施例1步骤(2)所得的氧化石墨烯薄膜、对照实施例1步骤(5)所得的纯石墨烯薄膜成品、实施例2步骤(3)所得的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜、实施例2步骤(6)所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品的X射线衍射图；图5、对照实施例1步骤(5)所得的纯石墨烯薄膜成品、实施例1-6所得的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品的热导率数据柱状图。具体实施方式下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术进一步阐述，但并不限制本专利技术。本专利技术的实施例中所用的各种设备的型号及生产厂家的信息如下：蒸发界面自组装所用的鼓风干燥箱，型号DHG9030-A型，生产厂家：上海一恒科学仪器有限公司；热压烧结炉，型号ZT-40-20Y，生产厂家：上海晨华电炉有限公司；石墨化炉，型号KGPS-100，生产厂家：株洲晨昕高频设备有限公司；压片机，型号BJ-30，生产厂家：天津博君科技有限公司；。本专利技术实施例中所用的各种原料的规格及生产厂家的信息如下：N,N-二甲基甲酰胺，规格分析纯，生产厂家国药集团化学试剂有限公司；4,4’-二氨基二苯醚，规格分析纯，生产厂家国药集团化学试剂有限公司；均苯四甲酸二酐，规格分析纯，生产厂家国药集团化学试剂有限公司。实施例1一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，具体包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于具体包括步骤如下：（1）、将氧化石墨烯均匀分散在N,N‑二甲基甲酰胺中，得到氧化石墨烯分散液；上述氧化石墨烯和N,N‑二甲基甲酰胺的用量，按质量比计算，氧化石墨烯：N,N‑二甲基甲酰胺为1:10；（2）、将4,4’‑二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐分别溶于N,N‑二甲基甲酰胺中，分别得到浓度为0.2g/ml的4,4’‑二氨基二苯醚溶液和浓度为0.2g/ml的均苯四甲酸二酐溶液；然后控制滴加速率为0.2ml/min将均苯四甲酸二酐溶液缓慢滴入4,4’‑二氨基二苯醚溶液中，常温搅拌下使均苯四甲酸二酐与4,4’‑二氨基二苯醚进行反应2h，得聚酰胺酸溶液；上述4,4’‑二氨基二苯醚溶液和均苯四甲酸二酐溶液的用量，按4,4’‑二氨基二苯醚溶液中的4,4’‑二氨基二苯醚：均苯四甲酸二酐溶液中的均苯四甲酸二酐为1:1的比例计算；（3）、向步骤（1）所得的氧化石墨烯分散液中加入步骤（2）所得的聚酰胺酸溶液，然后控制温度为50‑80℃进行蒸发界面自组装4 ‑8h，得到的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜；聚酰胺酸溶液的用量，按聚酰胺酸溶液：氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯的质量比为1‑50：100的比例计算；（4）、将步骤（3）所得的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜放入热压烧结炉中，在15MPa压力，氮气气氛保护下先以0.5‑2℃/min的升温速率升温至170~350℃进行亚胺化1‑4h，然后再以5‑10℃/min的升温速率升温至700‑1000℃进行热压碳化1h，得到碳化后的薄膜；（5）、将步骤（4）得到的碳化后的薄膜放入石墨化炉中，在常压氩气气氛保护下以20℃/min的升温速率升温至2000‑2800℃进行石墨化40‑120min，然后自然冷却至室温，取出，即得石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜粗品；（6）、将步骤（5）得到的石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜粗品用压片机以30MPa压力延压1‑30min ，即得石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜成品。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的制备方法，其特征在于具体包括步骤如下：（1）、将氧化石墨烯均匀分散在N,N-二甲基甲酰胺中，得到氧化石墨烯分散液；上述氧化石墨烯和N,N-二甲基甲酰胺的用量，按质量比计算，氧化石墨烯：N,N-二甲基甲酰胺为1:10；（2）、将4,4’-二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐分别溶于N,N-二甲基甲酰胺中，分别得到浓度为0.2g/ml的4,4’-二氨基二苯醚溶液和浓度为0.2g/ml的均苯四甲酸二酐溶液；然后控制滴加速率为0.2ml/min将均苯四甲酸二酐溶液缓慢滴入4,4’-二氨基二苯醚溶液中，常温搅拌下使均苯四甲酸二酐与4,4’-二氨基二苯醚进行反应2h，得聚酰胺酸溶液；上述4,4’-二氨基二苯醚溶液和均苯四甲酸二酐溶液的用量，按4,4’-二氨基二苯醚溶液中的4,4’-二氨基二苯醚：均苯四甲酸二酐溶液中的均苯四甲酸二酐为1:1的比例计算；（3）、向步骤（1）所得的氧化石墨烯分散液中加入步骤（2）所得的聚酰胺酸溶液，然后控制温度为50-80℃进行蒸发界面自组装4-8h，得到的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜；聚酰胺酸溶液的用量，按聚酰胺酸溶液：氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯的质量比为1-50：100的比例计算；（4）、将步骤（3）所得的氧化石墨烯/聚酰胺酸复合薄膜放入热压烧结炉中，在15MPa压力，氮气气氛保护下先以0.5-2℃/min的升温速率升温至170~350℃进行亚胺化1-4h，然后再以5-10℃/min的升温速率升温至700-1000℃进行热压碳化1h，得到碳化后的薄膜；（5）、将步骤（4）得到的碳化后的薄膜放入石墨化炉中，在常压氩气气氛保护下以20℃/min的升温速率升温至2000-2800℃进行石墨化40-120min，然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昊亮，杨俊和，戴思畅，苗洁，吴限，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31