一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料及制备方法和应用，制备方法为：(1)将高纯度石墨烯与热膨胀微球发泡剂加入可溶性聚酰亚胺溶液中，高速搅拌，制得低粘度的混合溶液；(2)将混合溶液倒在金属板材上并蒸发溶剂后进行非接触式加热制得石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料；所述高纯度石墨烯由石墨粉经2850℃高温煅烧、插层和机械剥离后制得，其片层小于10层，碳含量大于99.9wt％；采用上述方法制得的石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料为石墨烯/聚酰亚胺微晶球薄膜，太阳光吸收效率为90～95％。本发明专利技术的方法制得的石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料具有对太阳光的高吸收率和对热的高传导率，在太阳能热水器及光伏发电上的有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料及制备方法和应用
本专利技术属于石墨烯复合材料
，涉及一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料及制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道链接成六角环呈蜂窝式层状的平面薄膜，在室温下的载流子迁移率约为15000cm/(V·s)，单层石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，是目前为止导热系数最高的碳材料，具有良好的导电和导热性能。此外，石墨烯具有理论值高达2630m2/g的比表面积，吸附容量大，吸附速率高，光热转化能力优良，可以有效吸收近红外光，将吸收的光能迅速转化为热能。因为高纯度的石墨烯几乎完全透明，透光率高达97.7％，因此通常需要将石墨烯与其他材料进行结合，组成复合材料，增加其吸光能力，达到一个良好的光热转化效果。在太阳能的热利用中，关键是将太阳能转换为热能。由于太阳能比较分散，设法提高太阳能吸收率是利用太阳能的重点研究方向，太阳能选择性吸收涂层是太阳能光热转化中最为关键的部分，其质量和光学性质决定光热转化的效率。为了充分利用太阳能，吸热涂层的设计应最大限度地吸收太阳辐射，并且减小材料导热过程中的热辐射损失。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料及制备方法和应用。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将高纯度石墨烯与热膨胀微球发泡剂加入可溶性聚酰亚胺溶液中，高速搅拌，制得低粘度的混合溶液；将高纯度石墨烯分散到可溶性聚酰亚胺溶液中，可避免石墨烯团聚的问题；高速搅拌可以使混合溶液中各组分更快、更好地相溶；(2)将混合溶液倒在金属板材上并蒸发溶剂后进行非接触式加热(接触式加热易破坏整体结构，因而本专利技术采用非接触式加热)使热膨胀微球发泡剂发泡，制得石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料；所述高纯度石墨烯由石墨粉经2850℃高温煅烧、插层和机械剥离后制得，其片层小于10层(优选为1～5层)，碳含量大于99.9wt％；所述热膨胀微球发泡剂由外壳和芯材两部分组成，外壳和芯材的质量比为20～30:1；外壳为甲基丙烯酸甲酯、偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚物，且共聚物中甲基丙烯酸甲酯的质量占比为5～25％，偏二氯乙烯的质量占比为20～75％，丙烯腈的质量占比为20～70％；芯材为异戊烷、正戊烷、正己烷、异己烷、异辛烷或正辛烷等液态的低沸点化合物；高速搅拌的转速为600～1000r/min，搅拌时间为30～90min；混合溶液的粘度为1.3～10Pa·s；非接触式加热的温度为70～200℃，此温度范围内溶剂已完全蒸发，热膨胀微球发泡剂发泡但未达到破裂温度。当加热热膨胀微球时，内部芯材汽化或分解并产生压力，同时高分子外壳受热软化，体积增大到原来的10倍甚至100倍，石墨烯包覆在热膨胀微球表面，排列在聚酰亚胺薄膜上，整体附着于金属板材上，制得石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料。作为优选的技术方案：如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，可溶性聚酰亚胺溶液的浓度为1～10wt％；可溶性聚酰亚胺溶液是将聚酰亚胺溶解在极性溶剂中并低速搅拌一定时间形成；将聚酰亚胺溶解在极性溶剂中，通过在聚酰亚胺分子主链上引入醚键、硅氧键、羰基、砜基、亚异丙基和烷基基团等柔性基团可以降低链的内旋转能垒，增加链的柔顺性，减少分子链体积，进而改善溶解性能，低速搅拌后形成可溶性聚酰亚胺溶液；低速搅拌的转速为50～200r/min，搅拌时间为1～5h。如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，极性溶剂为甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、四氢呋喃、二甲基亚砜、六甲基磷酰三胺、乙腈、乙醇或丙酮，优选为甲酰胺。如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，可溶性聚酰亚胺溶液与高纯度石墨烯的质量比为10～100:1～5，高纯度石墨烯与热膨胀微球发泡剂的质量比为1～5:1～3。如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，非接触式加热的时间为30～60min。如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，金属板材为电解精制的金属板材(电解精制是为了除去金属板材的表面杂质)，金属板材的材质为银、铜、金、铝、镍或不锈钢，因铜导热系数高达401W/m·K，且铜资源丰富，因此金属板材的材质优选为纯铜。如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，蒸发溶剂在真空状态下进行，所述真空状态的真空度为-0.098～-0.05MPa。如上所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，非接触式加热为远红外加热(远红外加热为最方便的非接触式加热)。本专利技术还提供采用如权上任一项所述的方法制得的石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料，为石墨烯/聚酰亚胺微晶球薄膜，石墨烯/聚酰亚胺微晶球薄膜的太阳光吸收效率为90～95％(即石墨烯/聚酰亚胺微晶球薄膜能够吸收90～95％的太阳光)。本专利技术还提供如上所述的石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的应用，应用于太阳能热水器，将石墨烯/聚酰亚胺微晶球薄膜贴附于太阳能真空管的内壁，用于提高太阳光吸收效率。作为优选的技术方案：如上所述的应用，太阳能吸收效率为90～95％。本专利技术的原理如下：石墨烯具有高导热性，聚酰亚胺具有高透光率，也有良好的成膜性。本专利技术将高纯度石墨烯与热膨胀微球发泡剂加入可溶性聚酰亚胺溶液中制得低粘度的混合溶液，将混合溶液倒在金属板材上并蒸发溶剂后进行非接触式加热，蒸发溶剂，同时使热膨胀微球发泡剂发泡，热膨胀微球体积变大至原来的数十倍甚至上百倍，石墨烯包覆在热膨胀微球表面，排列在聚酰亚胺薄膜上，制得石墨烯/聚酰亚胺微球复合材料；将石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料薄膜贴附于太阳能真空管的内壁，石墨烯包覆的热膨胀微球为圆形球状，能最大限度地从各个角度吸收太阳热辐射，石墨烯的高导热性能使热量迅速传导至其他物质，从而使太阳能水管内温度上升速度更快，太阳能吸收效率可达90～95％。有益效果：本专利技术的石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料具有对太阳光的高吸收率和对热的高传导率，在太阳能热水器及光伏发电上的有良好的应用前景。具体实施方式下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，步骤如下：(1)将聚酰亚胺溶解在极性溶剂(甲酰胺)中并以50r/min的转速搅拌5h，形成可溶性聚酰亚胺溶液；(2)将高纯度石墨烯(由石墨粉经2850℃高温煅烧、插层和机械剥离后制得，其片层小于10层，碳含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)将高纯度石墨烯与热膨胀微球发泡剂加入可溶性聚酰亚胺溶液中，高速搅拌，制得低粘度的混合溶液；/n(2)将混合溶液倒在金属板材上并蒸发溶剂后进行非接触式加热制得石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料；/n所述高纯度石墨烯由石墨粉经2850℃高温煅烧、插层和机械剥离后制得，其片层小于10层，碳含量大于99.9wt％；/n所述热膨胀微球发泡剂由外壳和芯材两部分组成，外壳和芯材的质量比为20～30:1；外壳为甲基丙烯酸甲酯、偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚物，且共聚物中甲基丙烯酸甲酯的质量占比为5～25％，偏二氯乙烯的质量占比为20～75％，丙烯腈的质量占比为20～70％；芯材为异戊烷、正戊烷、正己烷、异己烷、异辛烷或正辛烷；/n高速搅拌的转速为600～1000r/min，搅拌时间为30～90min；/n混合溶液的粘度为1.3～10Pa·s；/n非接触式加热的温度为70～200℃。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将高纯度石墨烯与热膨胀微球发泡剂加入可溶性聚酰亚胺溶液中，高速搅拌，制得低粘度的混合溶液；
(2)将混合溶液倒在金属板材上并蒸发溶剂后进行非接触式加热制得石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料；
所述高纯度石墨烯由石墨粉经2850℃高温煅烧、插层和机械剥离后制得，其片层小于10层，碳含量大于99.9wt％；
所述热膨胀微球发泡剂由外壳和芯材两部分组成，外壳和芯材的质量比为20～30:1；外壳为甲基丙烯酸甲酯、偏二氯乙烯和丙烯腈的共聚物，且共聚物中甲基丙烯酸甲酯的质量占比为5～25％，偏二氯乙烯的质量占比为20～75％，丙烯腈的质量占比为20～70％；芯材为异戊烷、正戊烷、正己烷、异己烷、异辛烷或正辛烷；
高速搅拌的转速为600～1000r/min，搅拌时间为30～90min；
混合溶液的粘度为1.3～10Pa·s；
非接触式加热的温度为70～200℃。


2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，其特征在于，可溶性聚酰亚胺溶液的浓度为1～10wt％；
可溶性聚酰亚胺溶液是将聚酰亚胺溶解在极性溶剂中并低速搅拌一定时间形成；
低速搅拌的转速为50～200r/min，搅拌时间为1～5h。


3.根据权利要求2所述的一种石墨烯/聚酰亚胺微晶球复合材料的制备方法，其特征在于，极性溶剂为甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二...

【专利技术属性】
技术研发人员：章建君，胡军明，毛惠敏，
申请(专利权)人：宁波益德新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33