一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，包括：(1)将氧化石墨加入水中，超声剥离形成氧化石墨烯水悬液；将铝盐加入所述氧化石墨烯水悬液中，超声分散，形成A溶液；配制沉淀剂溶液，并加入分散剂，形成B溶液；将所述A溶液与B溶液混合，搅拌，得到灰色沉淀，然后对所述灰色沉淀进行过滤、清洗、烘干、煅烧，得到石墨烯/Al2O3复合填料；(2)配制偶联剂溶液，加入所述石墨烯/Al2O3复合填料，然后进行搅拌、过滤、清洗、烘干，得到偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料；(3)将所述偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料与硅橡胶基体和助剂混合，然后硫化，得到高分散石墨烯基导热硅胶。通过本发明专利技术能够提高石墨烯作为导热填料的分散性，改善其导热性能。

Preparation of a highly dispersed graphene-based thermal conductive silica gel

The invention relates to a preparation method of highly dispersed graphene-based thermal conductive silica gel, which includes: (1) adding graphite oxide into water, ultrasonic peeling to form graphene oxide water suspension; adding aluminium salt into the graphene oxide water suspension, ultrasonic dispersion to form A solution; preparing precipitator solution, adding dispersant to form B solution; mixing and stirring the A solution with B solution to obtain A solution. Gray precipitation is filtered, cleaned, dried and calcined to obtain graphene/Al2O3 composite filler; (2) the coupling agent solution is prepared, the graphene/Al2O3 composite filler is added, and then stirred, filtered, cleaned and dried to obtain graphene/Al2O3 composite filler modified by the coupling agent; (3) the graphene/Al2O3 composite filler modified by the coupling agent is filled. High dispersed graphene-based thermal conductive silica gel was prepared by mixing the material with silicone rubber matrix and additives and vulcanizing them. The invention can improve the dispersion of graphene as a thermal conductive filler and the thermal conductivity of the graphene.

【技术实现步骤摘要】
一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法
本专利技术涉及导热材料领域，尤其涉及一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法。
技术介绍
随着半导体、电子元器件不断往微型化、轻型化和高效化方向发展，热困扰问题加剧，迫切需要良好的散热措施来解决。导热硅胶作为一种填充热源和散热器之间的弹性材料，具有驱逐空气和加快散热的重要作用，其良好的散热、减震、耐化学腐蚀性和较宽的使用温度(-90～250℃)，能在极限和苛刻环境中保持弹性和使用稳定性，非常适合LED照明、电磁屏蔽、电子信息、通讯设备、航空航天、汽车和家用电器等领域的弹性粘接、定位、散热、绝缘及密封使用。导热硅胶通常需要应用导热性良好的填料填充到聚硅氧烷高分子基体中，形成均匀分散的体系，以获得高导热性，常用的填料为金属、金属氧化物及氮化物等，而这些传统填料的导热性已不能满足现在市场对热管理材料的要求，过多的填充量也会影响硅胶的机械性能。石墨烯作为一种新型导热填料，具有单层sp2杂化的碳原子堆积形成的二维蜂窝状结构，单层厚度仅为0.335nm，比表面积可达2630m2·g-1，是世界上最薄、也是最坚硬的纳米材料，具有超高的载流子迁移率、优异的热导率、高比表面积和高柔韧性等优点，石墨烯仅吸收2.3％的光，单层石墨烯热导率高达5300W/(m·K)，因此采用石墨烯填充到硅胶基体中，可以制备出高导热性材料，导热性能远远优于其他填料，具有广阔的应用前景。但是，目前石墨烯基导热硅胶面临的问题是：1、石墨烯极容易团聚，在填充基体内部会因为团聚而影响导热通路的形成，这是由于石墨烯比表面积较大，导致其具有较高的表面能，在分散过程中容易发生缠绕和团聚，很难与其他材料形成均匀的分散体系，石墨烯层数越少，其导热性能越好，因此石墨烯在基体中的分散性问题严重影响石墨烯基导热硅胶的导热性能。2、单独采用石墨烯填充导热硅胶，填料与基体界面之间存在一定的空隙，内部热量传输过程中，界面作用引起界面热阻，直接影响体系的热导率。3、不同材质，不同尺寸，不同维度的导热填料相互混杂，凭借导热填料间的协同效应制备出的导热填料，有利于提升导热硅胶的热导率，但是现有的研究并不能完全发挥出石墨烯与其他导热填料间的协同机制。4、不同形貌的氧化铝中，球形氧化铝作为填料所制备的导热硅胶具有最佳的导热性能，球形氧化铝的制备方法主要有溶胶凝胶法、滴球法、模板法等，采用溶胶凝胶法制备的球形氧化铝，粒径范围较广，球形率高，分散性较好，但是烧结后团聚严重；滴球法是对溶胶-乳液-凝胶法在工艺上的进一步改进，制备的氧化铝纯度高，分散性最好，但是尺寸范围窄，通常粒径较大；模板法适用于制备空心球体，其对模板剂的要求较高，制备过程步骤多，成本较高。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，能够提高石墨烯作为导热填料的分散性，改善其导热性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，包括以下步骤：S1：将氧化石墨加入水中，超声剥离形成氧化石墨烯水悬液；将铝盐加入所述氧化石墨烯水悬液中，超声分散，形成A溶液；配制沉淀剂溶液，并加入分散剂，形成B溶液；将所述A溶液与B溶液混合，搅拌，得到灰色沉淀，然后对所述灰色沉淀进行过滤、清洗、烘干、煅烧，得到石墨烯/Al2O3复合填料；S2：配制偶联剂溶液，加入所述石墨烯/Al2O3复合填料，然后进行搅拌、过滤、清洗、烘干，得到偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料；S3：将所述偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料与硅橡胶基体和助剂混合，然后硫化，得到高分散石墨烯基导热硅胶。相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术采用分散性较好的氧化石墨烯作为原料，其表面含有丰富的含氧官能团，平面上含有-OH和C-O-C，而在其片层边缘含有C＝O和-COOH，具有良好的浸润性和表面活性，利用氧化石墨烯的活性官能团，原位合成氧化石墨烯/Al2O3复合物，经过高温烧结还原处理，得到分散性良好的石墨烯基材料，能够有效避免石墨烯作为导热填料的分散性问题，发挥其导热性能。其中的原理如下：氧化石墨烯表面因含丰富的-OH和-COOH而带负电，与带正电的Al3+以较强的离子键结合，使Al3+均匀负载于氧化石墨烯表面；加入沉淀剂后，Al3+以配位键作用力使Al2O3沉积在氧化石墨烯表面；经过高温煅烧，氧化石墨烯被还原形成石墨烯，与Al2O3之间以静电作用力结合，形成具有良好分散性及导热性的复合产物。2、通过本专利技术制得的石墨烯/Al2O3复合填料中，石墨烯在Al2O3颗粒之间形成桥连结构，形成石墨烯/Al2O3复合填料在聚合物基体中的紧密堆积结构，能够促使形成导热网链结构，降低界面热阻，从而提高导热硅胶的热导率。3、通过本专利技术制得的石墨烯/Al2O3复合填料中，Al2O3均匀附着在石墨烯表面，不仅能够利用石墨烯优异的导热性能，改善Al2O3作为单一填料热导率不高的缺陷，同时能够利用的Al2O3电绝缘性，防止复合材料达到电渗流阈值，获得较好的协同效应。4、本专利技术采用均匀沉淀法制备球形氧化铝粉体，具有原料成本低、工艺简单、操作简便、对设备要求低的优点。进一步地，步骤S1中，所述石墨烯/Al2O3复合填料中，石墨烯与Al2O3的质量比为1:(10～40)。若石墨烯的含量过多，则难以保证复合导电填料中石墨烯的分散性，如果不能保证石墨烯的分散性，会导致制备的导热硅胶形成空隙，大大降低导热性；且若石墨烯的含量过多，则难以保证复合导电填料的绝缘性，因为石墨烯具有良好的导电性，其含量过多，会降低绝缘性；若石墨烯含量过少，则难以提高导热硅胶的导热性。石墨烯与Al2O3的最佳质量比为1:30。进一步地，步骤S1中，所述B溶液中沉淀剂的浓度与所述A溶液中铝盐的浓度的比为(2～6):1。若沉淀剂的量过多，则易出现不溶现象；若沉淀剂的量过少，则难以保证铝离子完全沉淀，可能产生其他杂质。所述沉淀剂优选为碳酸氢铵、碳酸铵、尿素或六次甲基四胺。所述铝盐优选为硫酸铝、硫酸铝铵或十二水合硫酸铝钾。进一步地，步骤S1中，在A溶液与B溶液混合过程中，加入碱溶液控制pH为5～9，在70～110℃下搅拌30～50h。所述碱溶液优选为氨水、氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液。进一步地，步骤S1中，所述煅烧过程为：先置于氩气氛围中300～500℃预烧3～8h；研磨后再置于氩气氛围中900～1500℃煅烧2～5h。进一步地，步骤S2中，所述偶联剂溶液的配制过程为：将偶联剂溶于乙醇中，所述偶联剂的体积分数为1～8％。所述偶联剂优选为硅烷偶联剂，具体可以是γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。进一步地，步骤S2中，所述石墨烯/Al2O3复合填料与偶联剂的质量比为100:(1～20)。偶联剂导热性较差，作用为偶联填料与高分子基体，减少界面热阻，若偶联剂的量过多，占比过大会降低导热性；若偶联剂的量过少，则难以实现填料与基体之间的有效偶联，使界面热阻增大。进一步地，步骤S2中，在偶联剂溶液中加入所述石墨烯/Al2O3复合填料前，先加入冰醋酸控制pH为3～5。进一步地，步骤S3中，所述偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料、硅橡胶基体和助本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将氧化石墨加入水中，超声剥离形成氧化石墨烯水悬液；将铝盐加入所述氧化石墨烯水悬液中，超声分散，形成A溶液；配制沉淀剂溶液，并加入分散剂，形成B溶液；将所述A溶液与B溶液混合，搅拌，得到灰色沉淀，然后对所述灰色沉淀进行过滤、清洗、烘干、煅烧，得到石墨烯/Al2O3复合填料；S2：配制偶联剂溶液，加入所述石墨烯/Al2O3复合填料，然后进行搅拌、过滤、清洗、烘干，得到偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料；S3：将所述偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料与硅橡胶基体和助剂混合，然后硫化，得到高分散石墨烯基导热硅胶。

【技术特征摘要】
1.一种高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将氧化石墨加入水中，超声剥离形成氧化石墨烯水悬液；将铝盐加入所述氧化石墨烯水悬液中，超声分散，形成A溶液；配制沉淀剂溶液，并加入分散剂，形成B溶液；将所述A溶液与B溶液混合，搅拌，得到灰色沉淀，然后对所述灰色沉淀进行过滤、清洗、烘干、煅烧，得到石墨烯/Al2O3复合填料；S2：配制偶联剂溶液，加入所述石墨烯/Al2O3复合填料，然后进行搅拌、过滤、清洗、烘干，得到偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料；S3：将所述偶联剂修饰的石墨烯/Al2O3复合填料与硅橡胶基体和助剂混合，然后硫化，得到高分散石墨烯基导热硅胶。2.根据权利要求1所述的高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述石墨烯/Al2O3复合填料中，石墨烯与Al2O3的质量比为1:(10～40)。3.根据权利要求1或2所述的高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述B溶液中沉淀剂的浓度与所述A溶液中铝盐的浓度的比为(2～6):1。4.根据权利要求3所述的高分散石墨烯基导热硅胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中，在A溶液与B溶液混合过程中，加入碱溶液控制pH为5～9，在70～110℃下搅拌30～50h。5.根据权利要求4所述的高分散石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：文芳，杨波，李悦，黄国家，张双红，翟伟，王志刚，郭华超，李爽，
申请(专利权)人：广州特种承压设备检测研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44