石墨烯-镍-碳纳米管复合材料及其制备方法和在散热涂料中的应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯‑镍‑碳纳米管复合材料及其制备方法和在散热涂料中的应用，属于复合材料技术领域。本发明专利技术复合材料的制备方法如下：首先将氧化石墨烯、曲拉通‑100和可溶性镍盐配置成混合溶液，加热，保温；然后加入还原剂，调pH，将所得反应原液在55～220℃条件下恒温反应5～60min，得到黑色粉末；再将黑色粉末置于管式炉中，通入氢氩混合气，恒温预处理15～60min；最后改通反应气体，升温至800～1000℃，恒温反应5～30min即可。本发明专利技术生长在石墨烯表面的镍颗粒和碳纳米管，极大程度的避免了石墨烯自身的团聚，有效促进了石墨烯在树脂基质中的均匀分散；具有大长径比的碳纳米管能有效连接石墨烯片，促进三维导热网络的建立。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯-镍-碳纳米管复合材料及其制备方法和在散热涂料中的应用
本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种石墨烯基复合材料，更具体地说，本专利技术涉及一种石墨烯-镍-碳纳米管复合材料及其制备方法和在散热涂料中的应用。
技术介绍
树脂具有易加工成型、质轻、廉价等优点，在散热涂料领域具有广阔的应用前景，但树脂自身相对较低的热导系数，难以满足散热领域对散热效率越来越高的需求。为了改善树脂的导热能力，一个行之有效的方式是将具有高热导系数的材料作为增强填料与树脂复合，构建复合散热材料。在众多的增强填料中，石墨烯因为自身优异的热导性能、大的理论比表面积和高的杨氏模量等性质，被认为是树脂最理想的增强填料之一。但与此同时，石墨烯片层间强烈的相互作用力以及大的片层结构，使得将石墨烯粉体与基质进行直接混炼时，难以获得良好的分散效果，并会不可避免的造成石墨烯团聚，从而严重影响石墨烯导热通道的构建，造成基质的导热性能改善十分有限。因此，如何实现石墨烯的有效分散，以及良好导热通道的构建，已成为石墨烯基树脂复合散热涂料的关键。有研究报道，石墨烯和碳纳米管复合使用，不仅可以有效地避免彼此的团聚，实现良好的共分散，除此之外，石墨烯和碳纳米管之间的协同效应有利于导热通道的良好构建，使其在相同质量分数下表现出比单一石墨烯或碳纳米管更优的导热性能。目前，石墨烯与碳纳米管的复合可以通过层层自组装、化学气相沉积(CVD)、电泳沉积等方法实现。在上述方法中，CVD法制备“石墨烯-碳纳米管”(Gn-CNTs)复合材料，具有材料复合均匀、成分易于控制、重复性好和碳纳米管可以在石墨烯表面垂直生长等优点，具有广阔的应用前景。采用CVD法在石墨烯表面生长碳纳米管时，需要预先在石墨烯表面附上一层催化剂颗粒，如单质镍(Ni)颗粒，常用的制备“石墨烯-镍催化剂”(Gn-Ni)方式有激光脉冲沉积法(PLD)和浸渍-还原法。前者对仪器设备要求较高，需要较大投入，不易于工业化推广；后者通过预浸渍镍离子溶液，再还原获得的镍单质颗粒在石墨烯表面附着不牢固，容易脱落，从而影响后续碳纳米管的生长，不利于石墨烯和碳纳米管协同作用的发挥。如何使用较为廉价的方式，实现Ni催化剂粒子与石墨烯的牢固结合，对于CVD法制备石墨烯-碳纳米管复合材料，以及石墨烯-碳纳米管复合材料在树脂复合涂料领域的应用具有显著的实际意义。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题或缺陷，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯-镍-碳纳米管复合材料及其制备方法和在散热涂料中的应用，旨在解决石墨烯表面负载镍催化剂颗粒易脱落，以及树脂基质中石墨烯难以有效分散的技术问题。为了实现本专利技术的上述其中一个目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种石墨烯-镍-碳纳米管复合材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：(1)按配比称量氧化石墨烯、曲拉通-100(Tx-100)和可溶性镍盐，依次加入去离子水中，配置成混合溶液，然后将所述混合溶液加热至55～220℃，保温；(2)向步骤(1)保温的混合溶液中加入还原剂，并利用碱液调节所得混合液的pH值为9～12，得到反应原液；然后将所述反应原液在55～220℃条件下继续恒温反应5～60min，反应结束，收集产物，得到黑色粉末；(3)将步骤(2)中所述黑色粉末置于管式炉中，通入氢氩(H2/Ar)混合气，然后将所述管式炉升温至300～500℃恒温预处理15～60min；预处理结束后，改通反应气体，并将管式炉升温至800～1000℃，恒温反应5～30min，反应结束后，收集产物，获得所述的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料。进一步地，上述技术方案，步骤(1)中所述的可溶性镍盐，选自硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、醋酸镍和乙酰丙酮镍中的任意一种或几种。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述混合溶液中，氧化石墨烯的浓度为0.5～20mg/mL，曲拉通-100的浓度为0.1～10mmol/L，镍离子浓度为0.1～5mmol/L。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述保温温度优选为65℃。进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述还原剂选自水合肼、维生素C、葡萄糖、次氯酸钠和硼氢化钠中的任意一种或几种。进一步地，上述技术方案，步骤(2)中所述还原剂的用量为氧化石墨烯质量的1～50wt％。进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述碱液选自氨水、氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液中的任意一种或几种。进一步地，上述技术方案，步骤(3)中所述氢氩混合气中H2与Ar的体积比可不作具体限定，例如，所述氢氩混合气中H2与Ar的体积比可以为(1～9)：(9～1)，较优选为1：9。进一步地，上述技术方案，步骤(3)中所述反应气体是由氢气、氩气和甲烷(CH4)组成的混合气体；或者是由氢气、氩气和乙炔(C2H2)组成的混合气体；或者是由氢气、氮气和甲烷组成的混合气体；或者是由氢气、氮气和乙炔组成的混合气体；其中：所述氢气的通入速率为50～200sccm、所述氩气或氮气的通入速率为700～1000sccm、甲烷或乙炔的通入速率为20～150sccm。优选地，上述技术方案，所述氢气的通入速率为50sccm、所述氩气或氮气的通入速率为950sccm、甲烷或乙炔的通入速率为100sccm。本专利技术的第二个目的在于提供上述所述方法制备的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料。具体地，上述技术方案，所述石墨烯-镍-碳纳米管复合材料中，镍颗粒生长在石墨烯片层表面，粒径为30～500nm。具体地，上述技术方案，所述石墨烯-镍-碳纳米管复合材料中，碳纳米管生长在石墨烯表面，管径为10～100nm。本专利技术的第三个目的在于提供采用上述所述方法制备的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料作为增强填料在散热涂料中的应用。一种石墨烯-镍-碳纳米管复合增强树脂散热涂料，包括增强填料和树脂基质，其中：所述增强填料为上述所述方法制备得到的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料。进一步地，上述技术方案，所述树脂基质为环氧树脂、有机硅树脂和酚醛树脂中的至少一种。进一步地，上述技术方案，所述石墨烯-镍-碳纳米管复合材料与树脂基质的质量比为1：4～20。本专利技术的第四个目的在于提供上述所述散热涂料的制备方法，具体是按配比将石墨烯-镍-碳纳米管复合材料、树脂基质与助剂混炼，即得到石墨烯-镍-碳纳米管复合增强树脂散热涂料。进一步地，上述技术方案，所述助剂为消泡剂、稳定剂、流平剂、防腐剂、交联剂或增稠剂中的一种或几种。进一步地，上述技术方案，所述混炼采用的温度为120～200℃，转速为20～100rpm。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术采用预先实现石墨烯、镍颗粒和碳纳米管复合的方式，规避了直接混炼可能造成的不同组分难以有效接触的问题。(2)本专利技术生长在石墨烯表面的镍颗粒和碳纳米管，极大程度的避免了石墨烯自身的团聚，有效促进了石墨烯在树脂基质中的均匀分散；具有大长径比的碳纳米管能有效连接石墨烯片，促进三维导热网络的建立。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯-镍-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：/n(1)按配比称量氧化石墨烯、曲拉通-100和可溶性镍盐，依次加入去离子水中，配置成混合溶液，然后将所述混合溶液加热至55～220℃，保温；/n(2)向步骤(1)保温的混合溶液中加入还原剂，并利用碱液调节所得混合液的pH值为9～12，得到反应原液；然后将所述反应原液在55～220℃条件下继续恒温反应5～60min，反应结束，收集产物，得到黑色粉末；/n(3)将步骤(2)中所述黑色粉末置于管式炉中，通入氢氩混合气，然后将所述管式炉升温至300～500℃恒温预处理15～60min；预处理结束后，改通反应气体，并将管式炉升温至800～1000℃，恒温反应5～30min，反应结束后，收集产物，获得所述的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-镍-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：
(1)按配比称量氧化石墨烯、曲拉通-100和可溶性镍盐，依次加入去离子水中，配置成混合溶液，然后将所述混合溶液加热至55～220℃，保温；
(2)向步骤(1)保温的混合溶液中加入还原剂，并利用碱液调节所得混合液的pH值为9～12，得到反应原液；然后将所述反应原液在55～220℃条件下继续恒温反应5～60min，反应结束，收集产物，得到黑色粉末；
(3)将步骤(2)中所述黑色粉末置于管式炉中，通入氢氩混合气，然后将所述管式炉升温至300～500℃恒温预处理15～60min；预处理结束后，改通反应气体，并将管式炉升温至800～1000℃，恒温反应5～30min，反应结束后，收集产物，获得所述的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料。


2.根据权利要求1所述的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述混合溶液中，氧化石墨烯的浓度为0.5～20mg/mL，曲拉通-100的浓度为0.1～10mmol/L，镍离子浓度为0.1～5mmol/L。


3.根据权利要求1所述的石墨烯-镍-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的可溶性镍盐，选自硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、醋酸镍和乙酰丙酮镍中的任意一种或几种；步骤(2)中所述还原剂选自水合肼、维生素C、葡萄糖、次氯酸钠和硼氢化钠中的任意一种或几种；步骤(2)所述碱液选自氨水、氢氧化钾和氢氧化钠溶液中的任意一种或几种。


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【专利技术属性】
技术研发人员：常海欣，李刚辉，郭辉，
申请(专利权)人：武汉联维新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42