透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜制備方法。本發明專利技術通過納米纖維素與石墨烯、氮化硼的復合來制備導熱薄膜。通過納米纖維素分散液的過濾干燥得到納米纖維素薄膜，將納米纖維素薄膜浸入到氧化石墨烯溶液中，得到的薄膜再浸入納米纖維素分散液中，重復上述兩步操作多次得到納米纖維素?氧化石墨烯復合薄膜，將復合薄膜放入到溶液中還原，得到納米纖維素?石墨烯薄膜。通過超聲混合的方法制備纖維素與氮化硼的混合溶液。將得到薄膜浸到纖維素與氮化硼混合的溶液中，得到納米纖維素?石墨烯?氮化硼復合導熱薄膜，該薄膜具有超高的各向異性，適用在現代電子器件的橫向散熱，該薄膜的透明性較好，同時由于外層是氮化硼和纖維素的混合薄膜，可以起到電絕緣效果，滿足特殊電子器件的需求。

Transparent insulated graphene composite heat conducting film and preparation method thereof

The invention relates to a method for preparing a transparent insulating graphene composite heat conducting film. The preparation of the heat conducting film is made by the combination of nano cellulose, graphene and boron nitride. The dispersion of nano cellulose filtration and drying of nano cellulose film, nano cellulose film immersed in graphene oxide film obtained solution, and then immersed in nano cellulose dispersion, repeat the above two steps many times to get the nano cellulose graphene oxide composite film, composite films could be put into solution in the reduction of nano cellulose graphene film. A mixed solution of cellulose and boron nitride was prepared by ultrasonic mixing. The film will be dipped into a solution of cellulose mixed with boron nitride, nano cellulose graphene boron nitride composite thermal conductive film, and the film has high anisotropy, suitable for transverse cooling in modern electronic devices, the transparency of the film is good, at the same time as the outer layer is a hybrid film of boron nitride and cellulose. Can play electric insulation effect, to meet the special needs of electronic devices.

【技術實現步驟摘要】
透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜及其制備方法
本專利技術涉及一種導熱薄膜及其制備方法，特別是一種透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜及其制備方法。
技術介紹
近年來隨著科技的發展，電子設備越來越高密度的封裝，使得高效散熱成為電子器件發展過程中至關重要的問題。與傳統的導熱薄膜材料相比，現代電子設備的熱管理中越來越需要具有各向異性導熱能力的柔性薄膜材料。由于石墨烯具有極高的導熱能力，目前人們主要是將石墨烯與聚合物復合來制取導熱薄膜。如中國專利（201310558179.8）一種石墨烯改性的導熱薄膜，采用石墨烯與聚酰亞胺復合制備了導熱薄膜的這種方法，在制備過程中需使用有機試劑，容易對環境造成污染。中國專利（201410828852.X）高導熱石墨烯基聚合物導熱膜及其制備方法，采用石墨烯與各類高分子聚合物復合制備導熱薄膜的這種方法需要高溫碳化和石墨化，耗能高，而且兩種方法中聚合物基體的熱膨脹系數較納米纖維素高許多，不容易與石墨烯形成良好匹配，同時由于石墨烯填料具有較高的電導率，不容易實現薄膜的電絕緣，難以滿足部分電子產品的要求。
技術實現思路
針對現有技術中存在的問題，本專利技術的目的之一在于提供一種透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜。本專利技術的目的之二在于提供該導熱薄膜的制備方法。本專利技術采用納米纖維素作為高分子基體材料，其具有熱膨脹系數極小、質輕、柔韌、高強、可以大量生產（從植物中提取）、可環保降解的優勢。納米纖維素和氧化石墨烯均在水中有較好的分散效果，避免了有機溶劑的使用。采用層層自主裝并還原的方法制備層狀結構的石墨烯導熱薄膜，其中的多層石墨烯結構可重復性構筑，復合薄膜的厚度和組成能夠實現納米尺度的精確控制，同時外層的氮化硼和纖維素混合層可以實現薄膜的電絕緣。納米纖維素薄膜中的羥基可以與氧化石墨烯中的氧原子形成氫鍵，納米纖維素與最外層的納米纖維素-氮化硼混合溶液中的纖維素也可以通過氫鍵連接，促使整體緊密的復合成膜，進而形成具有各向異性導熱能力的復合薄膜。根據上述機理，本發采用如下技術方案：一種透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜，其特征在于該導熱薄膜內部為纖維素薄膜與石墨烯薄膜通過氫鍵作用形成的層層交替結構，上下面均覆蓋有由纖維素與氮化硼混合后形成的復合薄膜。上述的導熱薄膜厚度為30μm～80μm。一種制備上述的透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜的方法，其特征在于該方法的具體步驟為：a.納米纖維素分散液的過濾及干燥得到納米纖維素薄膜，經乙醇和去離子水洗滌；b.將步驟a所得到的納米纖維素薄膜浸入到濃度為0.1～3mg/mL的氧化石墨烯水溶液中5～10min，然后洗滌干燥；c.將步驟b所得到的薄膜浸入濃度為0.1～3mg/mL的納米纖維素分散液中5～10min；d.重復步驟b和步驟c1～40次得到納米纖維素-氧化石墨烯復合薄膜；e.將步驟d所得到的納米纖維素-氧化石墨烯復合薄膜放入到質量分數為50%的還原性溶液升溫至90°C保持2h還原即可得到納米纖維素-石墨烯復合導熱薄膜；f.將納米纖維素與氮化硼按1:1的質量比配制成混合溶液，并超聲分散30～40min，其中氮化硼溶液濃度為1～2mg/mL；g.將步驟e所得到的納米纖維素-石墨烯復合導熱薄膜浸入步驟f的混合溶液中5～10min，得到納米纖維素-石墨烯-氮化硼復合導熱薄膜。上述的納米纖維素的直徑為20～50nm，長徑比100～1000。上述的還原性溶液為水合肼、硼氫化鈉溶液、氫碘酸、尿素溶液、維生素C溶液或對苯二酚還原性試劑的溶液。與現有技術相比，本專利技術具有的突出特點：不同于常見的熱界面材料，用于填充熱源和散熱部件之間的縫隙，以提高散熱的效率，本實驗中的導熱薄膜強調較高的橫向導熱系數，較高各向異性，以及良好的柔韌性和電絕緣性。不同于常規高分子，本實驗中采用的基體納米纖維素不會產生巨大的表面熱阻。熱膨脹系數小，與其他材料的匹配性較好。不同于傳統的層層自組裝方法，在硬質基底上的依次組裝，本工作采用納米纖維素-氧化石墨烯在柔性的納米纖維素薄膜上依次組裝。這種柔性的基底組裝的薄膜可以直接作為一種各向異性導熱材料，避免了層層自組裝法組裝薄膜厚度生長慢的難題，并且能夠繼承納米纖維素薄膜優異的力學性能。更重要的是，在平面方向，通過還原之后石墨烯在納米尺度的、高度有序均勻的排列，復合薄膜具有較高的橫向導熱系數，而其中的絕熱的納米纖維素芯層則使復合材料的縱向導熱系數非常低。不同于傳統的石墨烯導熱薄膜，本專利技術采用纖維素作為基體，同時在薄膜的外層復合上了纖維素和氮化硼的混合薄膜，使薄膜具有較好的電絕緣性。附圖說明圖1為氧化石墨烯，石墨烯，納米纖維素基板及復合薄膜的XRD譜圖。圖2為不同組裝次數的納米纖維素薄膜為基底的納米纖維素-石墨烯復合薄膜的橫向導熱系數和縱向導熱系數。圖3為不同組裝次數的納米纖維素薄膜為基底的納米纖維素-石墨烯復合薄膜的透過率光譜。具體實施方式下面結合具體實施方案對本實驗作進一步說明：實施例一一種透明絕緣的高性能石墨烯復合導熱薄膜制備方法，具體步驟如下：（1）.通過納米纖維素分散液的真空過濾及干燥得到納米纖維素薄膜；（2）.將步驟（1）得到的納米纖維素薄膜經乙醇和去離子水充分洗滌干凈；（3）.將步驟（2）得到的薄膜首先浸入到氧化石墨烯溶液中（0.1mg/mL）保持5min，然后浸入去離子水中漂洗2min，在紅外線快速干燥箱中熱氣流吹干；（4）.將步驟（3）得到的薄膜浸入納米纖維素分散液中（0.1mg/mL）保持5min，然后重復步驟（3），經過相同的漂洗和干燥過程；（5）.重復步驟（3）和步驟（4）40次得到納米纖維素-氧化石墨烯復合薄膜；（6）.將步驟（5）得到的復合薄膜放入到還原性溶液中，升溫至90°C，保持2h以還原復合薄膜中的氧化石墨烯，得到的復合薄膜命名為納米纖維素-石墨烯薄膜（如圖1所示：氧化石墨烯被還原為石墨烯）；（7）.通過超聲混合的方法制備纖維素與氮化硼的混合溶液；（8）.將步驟（6）得到的納米纖維素-石墨烯復合導熱薄膜浸入（7）中，得到納米纖維素-石墨烯-氮化硼薄膜。當重復操作40次時，(納米纖維素-石墨烯)40—氮化硼復合薄膜中石墨烯的含量約為0.9wt%，如圖3所示：水平導熱能力從1.3W?m?1?K?1增加到13W?m?1?K?1，相對納米纖維素基底增加了1000%，而垂直方向的導熱系數在0.050W?m?1?K?1以下，具有較高的各向異性導熱能力，同時由于外層是氮化硼和纖維素的混合層，該薄膜的絕緣性較好。實施例二一種透明絕緣的高性能石墨烯復合導熱薄膜制備方法，具體步驟如下：（1）.通過納米纖維素分散液的真空過濾及干燥得到納米纖維素薄膜；（2）.將步驟（1）得到的納米纖維素薄膜經乙醇和去離子水充分洗滌干凈；（3）.將步驟（2）得到的薄膜首先浸入到氧化石墨烯溶液中（3mg/mL）保持10min，然后浸入去離子水中漂洗5min，在紅外線快速干燥箱中熱氣流吹干；（4）.將步驟（3）得到的薄膜浸入納米纖維素分散液中（3mg/mL）保持10min，然后重復步驟（3），經過相同的漂洗和干燥過程；（5）.重復步驟（3）和步驟（4）40次得到納米纖維素-氧化石墨烯復合薄膜；（6）.將步驟（5）得到的復合薄膜放入到還原性溶液中，升溫至120°C，保持3h以還原復合薄膜中的氧化石墨烯，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜，其特征在于該導熱薄膜內部為纖維素薄膜與石墨烯薄膜通過氫鍵作用形成的層層交替結構，上下面均覆蓋有由纖維素與氮化硼混合后形成的復合薄膜。

【技術特征摘要】
1.一種透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜，其特征在于該導熱薄膜內部為纖維素薄膜與石墨烯薄膜通過氫鍵作用形成的層層交替結構，上下面均覆蓋有由纖維素與氮化硼混合后形成的復合薄膜。2.根據權利要求1所述的透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜，其特征在于所述的導熱薄膜厚度為30μm～80μm。3.一種制備根據權利要求1所述的透明絕緣的石墨烯復合導熱薄膜的方法，其特征在于該方法的具體步驟為：a.納米纖維素分散液的過濾及干燥得到納米纖維素薄膜，經乙醇和去離子水洗滌；b.將步驟a所得到的納米纖維素薄膜浸入到濃度為0.1～3mg/mL的氧化石墨烯水溶液中5～10min，然后洗滌干燥；c.將步驟b所得到的薄膜浸入濃度為0.1～3mg/mL的納米纖維素分散液中5～10min；d.重復步驟b和步驟c1～40次得到納米纖維素-氧化石墨烯復合薄膜；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋娜，潘海東，丁鵬，施利毅，焦德金，崔思奇，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：上海,31