一种高导热天然柔性石墨薄膜的制备方法技术

一种高导热天然柔性石墨薄膜的制备方法是将HClO4与HNO3进行混合后，将天然鳞片石墨加入其中搅拌，得到混合物并加热反应得到高氯酸/石墨层间化合物，高氯酸/石墨层间化合物用去离子水进行洗涤至pH值为5－7，然后烘干，膨化，辊压，得到高导热天然柔性石墨薄膜。本发明专利技术具有无硫、无腐蚀，高导热性能，厚度可控的优点。

Method for preparing natural flexible graphite film with high thermal conductivity

A preparation method of high thermal conductivity of natural flexible graphite film is HClO4 and HNO3 mixed, natural graphite added stirring the mixture and heating reaction by perchloric acid / graphite intercalation compounds, perchloric acid / graphite intercalation compounds were washed until the pH value is 5 to 7, with deionized water and then drying, extrusion, rolling, high thermal conductivity of natural graphite film. The invention has the advantages of no sulfur, no corrosion, high thermal conductivity and controllable thickness.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种高导热的天然柔性石墨薄膜的制备方法。
技术介绍
天然柔性石墨是美国联合碳化物公司于1963年首先研制成功，它是以天然磷片石墨为原料，经提纯、酸化插层、膨化、压制或辊压而成的一种石墨卷材或板材，即天然柔性石墨。天然柔性石墨由于具有良好的化学稳定性、耐高低温、耐腐蚀、耐辐射、导热性能好、导电能力强，且具有良好的柔韧性、压缩回弹性等诸多优点，目前已广泛应用于电子、石油、化工、冶金等密封领域。近些年来，基于天然柔性石墨其组成结构单元——石墨微晶的高热导性，国内外学者开始注重高导热柔性石墨薄膜材料的研发。柔性石墨薄膜具有超高的热导率、低密度、低热膨胀系数、良好的高温稳定性能等优异性能，是近年来最具发展前景的一类薄膜散热材料。在一些散热的器件上取代传统金属材料，不仅有利于电子器件的小型化微型化和高功率密度化，而且可以有效地减轻器件的重量；同时可用于高端电子器件设备，达到高效散热、使用安全、寿命长的目的。影响天然柔性石墨薄膜导热性能的因素较多，主要包括原料天然鳞片石墨颗粒尺寸、纯度、插层试剂、膨胀倍数以及石墨蠕虫的压延取向性和密度等。为了获得高导热的柔性石墨薄膜，国内外科研人员进行了大量的研究工作。Vovchenko等人(Thermal characterization expanded graphite and its composites.1norganicMaterials.2007, 43(6):597-601 (膨胀石墨及其复合材料的热性能评价))以浓硫酸为氧化插层剂，在不同温度下膨化制得石墨蠕虫，然后经辊压制得高导热柔性石墨。通过系统研究不同密度的柔性石墨与热导率之间的内在联系，发现柔性石墨的C轴方向热导率随体积密度的变化存在一个拐点，当体积密度低于1.5g/cm3时，热导率随密度的增加而降低；当密度高于1.5g/cm3时，又随密度的增加而增加。美国GrafTech公司对高导热柔性石墨进行了深入广泛的应用研究，已开发的高导热柔性石墨已用于数字信息显示屏、液晶显示屏、等离子显示板、手机、笔记本电脑、流 场板等领域，均取得了明显的散热效果。柔性石墨片能在二维方向具有热分布均匀、消除局部热斑，同时在第三维方向有减小接触温度的独特能力，是常用的铝、铜各向同性材料所无法比拟的。这种将导热性和屏蔽性结合在一体的优势，使得柔性石墨片成为在解决热控制问题时的一种理想的材料选择。目前，美国GrafTech公司已制备出系列高导热柔性石墨薄膜产品，其导热系数最高达到600W/m.K以上。但该材料在制备过程中，使用浓氏304为插层剂，导致最终产品中有S残留，在应用中易引发接触部件腐蚀。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无硫、无腐蚀，高导热性能，厚度可控的天然柔性石墨薄膜的制备方法。本专利技术是以一定颗粒尺寸的高纯天然鳞片石墨为插层宿主材料，利用高氯酸(HClO4)为插层剂、硝酸(HNO3)为氧化剂，经氧化插层反应后制备出高氯酸/石墨层间化合物(HC14-GIC);然后在一定温度下膨化处理，制备出中间产物膨胀石墨。最后在压延机上辊压膨胀石墨制成高导热柔性石墨薄膜材料。本专利技术提出的高导热柔性石墨薄膜材料，其具体制备方法包括如下工艺步骤: (1)按重量百分比为55— 70wt%的高氯酸(HClO4)与I — 6wt%的硝酸(HNO3),将HClO4与HNO3进行混合，混合后，将重量百分比为28 - 40wt%天然鳞片石墨加入其中搅拌I 一3min，得到混合物； (2)将步骤(1)得到的混合物加热到15- 100°C，反应5 — 60min，得到高氯酸/石墨层间化合物(HC14-GIC)； (3)将步骤(2)得到的高氯酸/石墨层间化合物用去离子水进行洗涤至pH值为5— 7，然后将其于80 - 105°C烘干处理2 - 6h，得到干燥高氯酸/石墨层间化合物； (4)将步骤(3)得到的干燥高氯酸/石墨层间化合物进行膨化处理，其中膨化温度为850 - 1050°C，膨化时间为3 - 15s，膨化后冷却至室温，得到可膨胀石墨； (5)将步骤(4)得到的可膨胀石墨置入压延机中，在线压力为40- SOMPa条件下进行辊压处理，得到高导热天然柔性石墨薄膜。如上所述的天然鳞片石墨其平均粒度为30 — 80目，碳含量为99.9wt.%以上。如上所述的硝酸的浓度60 - 70wt.% ;高氯酸的浓度为70 - 75 wt %。本专利技术制备的高导热天然柔性石墨薄膜的厚度为0.08 — 0.3mm，体积密度为1.0 — 1.6g/cm3。本专利技术的优点如下: 本专利技术提供了一种无S高导热柔性石墨薄膜的制备方法。一般柔性石墨生产过程中均使用浓H2SO4为插层剂，在制造过程中要产生SOx气体，对人体和环境危害较大；此外产品中均有S残留，在应用中将引发接触部件腐蚀。同时，含S的柔性石墨高温抗氧化性差、且抗拉强度也较低。本专利技术的高导热柔性石墨薄膜，在制备过程中由于不涉及含S物质或原料，最终材料避免了上述含S柔性石墨的缺陷。利用本专利技术制备的柔性石墨薄膜，不仅厚度可控(0.08-0.3_)，其导热系数也高于目前国内外报道的同类产品。【具体实施方式】实施例1 将HClO4 =HNO3:天然鳞片石墨按照重量比为65: 5:30进行混合。在混合过程中，首先将HClO4倒入装有HNO3的容器中，然后将天然鳞片石墨加入到上述混合酸中进行搅拌1.5min。如上所述的天然鳞片石墨其平均粒度为32目，碳含量为99.95wt.%，所用硝酸的浓度65wt.%，高氯酸的浓度为70wt.%。将搅拌后的混合物加热到60°C，并在该温度下反应IOmin,得到高氯酸/石墨层间化合物。然后用去离子水将得到高氯酸/石墨层间化合物洗涤至pH值为5.8。将洗涤物置入干燥炉中，加热到80°C进行烘干处理，烘干时间为4h。烘干完毕出炉自然冷却至室温，然后将烘干物置入900°C的高温膨化炉中进行膨化，其中膨化时间为5s，出炉冷却至室温后得到可膨胀石墨。将制得的可膨胀石墨置入压延机中进行辊压处理。辊压过程中线压力为45MPa，最终柔性石墨薄膜的厚度为0.10mm，体积密度为1.2g/cm3,其基本物理性能见表1。实施例2 将HC104、HNO3和天然鳞片石墨按照重量比62.5:3.5:34进行混合。在混合过程中，首先将HClO4倒入装有HNO3的容器中，然后将天然鳞片石墨加入到上述混合酸中进行搅拌2min。如上所述的天然鳞片石墨其平均粒度为40目，碳含量为99.98wt.%，所用硝酸的浓度66wt.%，高氯酸的浓度为7Iwt.%。将搅拌后的混合物加热到50°C，并在该温度下反应20min，得到高氯酸/石墨层间化合物。然后用去离子水将得到高氯酸/石墨层间化合物洗涤至PH值为6.0。将洗涤物置入干燥炉中，加热到90°C进行烘干处理，烘干时间为3h。烘干完毕出炉自然冷却至室温，然后将烘干物置入920°C的高温膨化炉中进行膨化，其中膨化时间为7s，出炉冷却至室温后得到可膨胀石墨。将制得的可膨胀石墨置入压延机中进行辊压处理。辊压过程中线压力为60MPa，最终柔性石墨薄膜的厚度为0.12mm，体积密度为1.45g/cm3,其基本物理性能见表1。实施例3 将HC104、HN03本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热天然柔性石墨薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）按重量百分比为55－70wt%的高氯酸(HClO4)与1－6wt%的硝酸（HNO3），将HClO4与HNO3进行混合,?混合后，将重量百分比为28－40wt%天然鳞片石墨加入其中搅拌1－3min，得到混合物；（2）将步骤(1)得到的混合物加热到15－100℃，反应5－60min，得到高氯酸/石墨层间化合物（HClO4?GIC）；（3）将步骤（2）得到的高氯酸/石墨层间化合物用去离子水进行洗涤至pH值为5－7，然后将其于80－105℃烘干处理2－6h，得到干燥高氯酸/石墨层间化合物；（4）将步骤（3）得到的干燥高氯酸/石墨层间化合物进行膨化处理，其中膨化温度为850－1050℃，膨化时间为3－15s，膨化后冷却至室温，得到可膨胀石墨；（5）将步骤（4）得到的可膨胀石墨置入压延机中，在线压力为40－80MPa条件下进行辊压处理，得到高导热天然柔性石墨薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种高导热天然柔性石墨薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)按重量百分比为55— 70wt%的高氯酸(HClO4)与I — 6wt%的硝酸(HNO3),将HClO4与HNO3进行混合，混合后，将重量百分比为28 - 40wt%天然鳞片石墨加入其中搅拌I 一3min，得到混合物； (2)将步骤(1)得到的混合物加热到15- 100°C，反应5 — 60min，得到高氯酸/石墨层间化合物(HC14-GIC)； (3)将步骤(2)得到的高氯酸/石墨层间化合物用去离子水进行洗涤至pH值为5— 7，然后将其于80 - 105°C烘干处理2 - 6h，得到干燥高氯酸/石墨层间化合物； (4)将步骤(3)得到的干燥高氯酸/石墨层间化合物进行膨化处理，其中膨化温度为850 - 1050°C，膨化时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘占军，郭全贵，魏兴海，陶则超，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：