一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜及其制备方法。通过石墨烯和多孔氧化石墨烯制备混合浆料，采用制浆、涂布成膜、干燥、官能团活化、压延密实等制备外观平整、光滑，且厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜。该石墨烯膜能够解决高固含量或高浓度的氧化石墨烯分散液因粘度过大而导致湿膜表面封闭式或开放式气泡过多的问题。多孔氧化石墨烯的引入充分发挥了石墨烯自身的导热性能，使得连续生产过程中没有高温碳化、高温石墨化过程，制备的石墨烯膜仍然保持良好的导电、导热性能，且拉伸强度、耐折测试结果优异，极大降低能源消耗。本发明专利技术提供的厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜的制备方法能够实现连续、规模化生产，大大提高生产效率。大大提高生产效率。大大提高生产效率。

【技术实现步骤摘要】
一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及无机非金属材料
，尤其涉及一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是每一个碳原子以sp2杂化与三个相邻碳原子键合形成的蜂窝状结构的碳原子单层。石墨烯为二维材料，其具有优异的物理化学性质，如杨氏模量可达到1.0TPa，断裂强度可达到130GPa。此外，在常温条件下，单层石墨烯的电子迁移率高达2.5
×
105cm2/(V
·
s)，热导率或导热系数为5300W/(m
·
K)，比表面积为2620m2/g，这使得石墨烯具有巨大的应用潜能。
[0003]目前，石墨烯纸或石墨烯薄膜的规模化量产技术是以水系氧化石墨烯分散液为基础，通过低温加热的方式将水系氧化石墨烯分散液中的水分蒸发，以此使得氧化石墨烯片层紧密堆叠在一起，形成氧化石墨烯干膜。氧化石墨烯干膜在后续高温热还原过程中，被封锁在氧化石墨烯片层之间的层间水变成了水蒸气，同时氧化石墨烯热还原时还会产生的水气、二氧化碳、一氧化碳等气体，这些水蒸气和气体会在薄膜内部的缝隙处聚集形成气压。当聚集形成的气压大于外界压力时，水蒸气和气体会冲破处于还原态的氧化石墨烯薄膜，造成鼓泡和裂缝。随着厚度的增加，这种孔隙、鼓泡和裂缝也会增多，最终导致石墨烯膜密度及其导热性能的急剧下降，因此，上述制备方法制得的石墨烯膜难以在厚度尺寸上实现突破，仅为10μm左右。
[0004]另外，氧化石墨烯薄膜根据制备工艺的不同，高温热还原温度一般为2800
‑
3000℃，且对加热炉内的环境要求高，因此，生产设备大多采用电加热方式。电加热方式虽然能够提供足够的加热温度，但是存在能耗高的缺点。由此，如何在保证石墨烯膜增加厚度的同时，又能保证其致密性，以保持其优异的综合性能已成为低能耗规模化量产的难点。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜及其制备方法，以解决现有石墨烯薄膜厚度增加时，其理化性能较差的问题。
[0006]基于本专利技术所要解决的问题，本专利技术提供一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜，该石墨烯膜的厚度为11
‑
100μm，石墨烯膜的拉伸强度为71.9
‑
100.4MPa，所述石墨烯膜的耐折次数＞104次，石墨烯膜的密度为1.5
‑
2.1g/cm3，石墨烯膜的导热系数为500
‑
2100W/(m
·
K)。
[0007]本专利技术还提供厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜的制备方法，该方法包括：
[0008]S01：将石墨烯分散在分散剂中，机械搅拌、超声波分散后滤除大颗粒石墨烯，形成石墨烯分散液。
[0009]将制备好的石墨烯分散在分散剂中，通过机械搅拌的方式将大颗粒石墨烯打碎分散在分散剂中。混合均匀后，通过超声波分散的方式将小颗粒石墨烯分散在分散剂中。超声
波分散结束后，采用孔径为200目的筛网过滤，以去除没有分散的石墨烯，最后形成石墨烯分散液。本申请中，石墨烯的原浆浓度为3
‑
18％，分散后制备得到的石墨烯分散液的质量百分浓度为3.0
‑
6.0％。
[0010]本申请中的石墨烯通过机械剥离法和/或液相剥离法制备得到。机械剥离法和/或液相剥离法制备得到的石墨烯与多孔氧化石墨烯混合形成的混合浆料能够在涂布时形成的外观平整、光滑的湿膜，以此解决高固含量或高浓度的氧化石墨烯分散液因粘度过大而导致湿膜表面封闭式或开放式气泡过多的问题。
[0011]在本申请中，石墨烯的灰分含量小于2％，片径为1
‑
50μm，片径层数为1
‑
10层。较为优选地，石墨烯的灰分含量小于1％，片径为1
‑
20μm，片径层数为1
‑
5层。更为优选地，石墨烯的灰分含量小于0.5％，片径为1
‑
10μm，片径层数为1
‑
3层。
[0012]S02：将多孔氧化石墨烯分散在分散剂中，机械搅拌、超声波分散后滤除大颗粒多孔氧化石墨烯，形成多孔氧化石墨烯分散液。
[0013]将制备好的多孔氧化石墨烯分散在分散剂中，通过机械搅拌的方式将大颗粒多孔氧化石墨烯打碎分散在分散剂中。混合均匀后，通过超声波分散的方式将小颗粒多孔氧化石墨烯分散在分散剂中。超声波分散结束后，采用孔径为200目的筛网过滤，以去除没有分散的多孔氧化石墨烯，最后形成多孔氧化石墨烯分散液。本申请中，多孔氧化石墨烯的原浆浓度为3
‑
40％，分散后制备得到的多孔氧化石墨烯分散液的质量百分浓度为3.0
‑
6.0％。
[0014]在本申请中，由于多孔氧化石墨烯的微观片层上存在大量的孔隙，因而更多的热能可以通过多孔氧化石墨烯的微观片层，这使得其本身的导热能力大大提高，也提高了石墨烯膜整体的导热能力。
[0015]在本申请中，多孔氧化石墨烯的碳含量为45
‑
65％，氧含量为35
‑
45％，硫含量小于5％，灰分含量小于2％，片径为1
‑
100μm，片径层数为1
‑
10层。较为优选地，多孔氧化石墨烯的碳含量为50
‑
60％，氧含量为37
‑
43％，硫含量小于3％，灰分含量小于1％，片径为5
‑
80μm，片径层数为1
‑
10层。更为优选地，多孔氧化石墨烯的碳含量为51
‑
58％，氧含量为40
‑
42％，硫含量小于0.5％，灰分含量小于0.5％，片径为10
‑
50μm，片径层数为1
‑
5层。多孔氧化石墨烯的孔隙率为30
‑
75％。
[0016]另外，本申请中的分散剂包括去离子水、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇、乙醇中一种或多种。优选采用去离子水和/或N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0017]在石墨烯分散液和多孔氧化石墨烯分散液制备的过程中，超声波分散的超声频率为25kHz、28kHz、40kHz或60kHz。较为优选地，超声频率为28kHz或40kHz。
[0018]S03：将所述石墨烯分散液和所述多孔氧化石墨烯分散液混合均匀，形成混合浆料。
[0019]当石墨烯分散液和多孔氧化石墨烯分散液的浓度相同时，将制备得到的石墨烯分散液和多孔氧化石墨烯分散液按照质量比为(1
‑
9)：1混合，通过机械搅拌的方式使其混合均匀，形成混合浆料。其中，混合浆料的质量百分浓度为1.0
‑
8.0％。较为优选地，混合浆料的质量百分浓度为1.8
‑
5.0％。较为优选的，石墨烯分散液和多孔氧化石墨烯分散液混合时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜，其特征在于，所述石墨烯膜的厚度为11
‑
100μm，所述石墨烯膜的拉伸强度为71.9
‑
100.4MPa，所述石墨烯膜的耐折次数＞104次，所述石墨烯膜的密度为1.5
‑
2.1g/cm3，所述石墨烯膜的导热系数为500
‑
2100W/(m
·
K)。2.一种厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜的制备方法，其特征在于，包括：S01：将石墨烯分散在分散剂中，机械搅拌、超声波分散后滤除大颗粒石墨烯，形成石墨烯分散液；S02：将多孔氧化石墨烯分散在分散剂中，机械搅拌、超声波分散后滤除大颗粒多孔氧化石墨烯，形成多孔氧化石墨烯分散液；S03：将所述石墨烯分散液和所述多孔氧化石墨烯分散液混合均匀，形成混合浆料；S04：将所述混合浆料涂布在基膜上，形成厚度均匀的湿膜；S05：所述湿膜置于预热后的干燥设备中，干燥后形成干膜；S06：在所述干膜的表面涂抹官能团活化剂，所述干膜表面的官能团重新活化后，涂布所述混合浆料；S07：多次重复步骤S05
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S06，形成多层湿膜；S08：所述多层湿膜经干燥后剥离所述基膜后，压延密实形成石墨烯膜。3.根据权利要求2所述的厚度可控的高密度、高导热石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的灰分含量小于2％，片径为1
‑
50μm，片径层数为1
‑
10层；所述多孔氧化石墨烯的碳含量为45
‑
65％，氧含量为35
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：张卓，张冬，安志成，贺峰，张玉，张熙，
申请(专利权)人：辽宁科安隆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：