散热用石墨烯复合塑料及其制备方法与流程

1.本发明涉及塑料制备技术领域，具体涉及一种散热用石墨烯复合塑料及其制备方法。


背景技术：

2.石墨烯在导热散热领域中，常被用作导热薄膜、导热高分子复合材料和散热涂层的填料。石墨烯的热导率极高，同时热辐射发射率也非常高，因此石墨烯兼具了热传导与热辐射的特性。在热传导材料中，石墨烯作为导热填料，在基体中均匀分布，彼此相连而构建出导热的网络，热量沿导热网络传递，效率大大提高。在热辐射涂料中，石墨烯拥有较大的比表面积和高的发射率，能够快速将通过热传导方式传递过来的热量及时交换到环境中去。
3.中国专利cn 110617453 a公开了一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车led头灯，涉及电动车头灯领域，包括灯座、铝基板、至少一个led芯片、透镜和灯罩；其特征在于：至少一个led芯片与铝基板的一面相贴并固定连接在铝基板上，铝基板的另外一面通过硅脂与灯座的内侧壁面相贴，并且铝基板固定连接在灯座上；透镜固定连接在灯座上并将铝基板和至少一个led芯片罩在透镜和灯座之间，灯罩固定连接在灯座上并将透镜罩在灯罩和灯座之间；灯座的外侧壁面上与铝基板的另外一面正对的位置上设置有多个散热翅片，多个散热翅片与灯座为采用石墨烯酚醛树脂材料进行一体热塑成型得到的一体成型件。本发明的电动车led头灯散热效果好、制造简便。
4.中国专利cn 110745019 a公开了一种石墨烯导热塑料结构散热的电动车充电器。包括充电器本体以及充电器壳体，所述充电器壳体表面交替设有若干凹槽和凸起，所述充电器壳体为石墨烯导热酚醛模塑料制成的一体成型体。其中，石墨烯导热酚醛模塑料以酚醛树脂和具有多孔结构的边缘氧化石墨烯纳米微片为主要原料，使得充电器壳体具有优秀的冲击强度和散热性能。
5.然而，现有石墨烯复合材料中添加的石墨烯通常是使用粘接剂把石墨烯粘接成粗颗粒状，做出来的材料很脆，用注塑工艺无法成型，只能用液压机压制成型，因此只能做产品壁厚4mm以上的，结构相对简单的产品，不能做投光灯、筒灯、散热器这种产品。并且每模的成型周型太长，基本上20分钟以上才能做一模，故经济效益不高，市场上其他现有的石墨烯散热塑料产能也比较受限。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效提高石墨烯分散性的散热用石墨烯复合塑料及其制备方法。
7.一种散热用石墨烯复合塑料，包括以下原料：
8.载体树脂10～85％、石墨烯10～85％、润滑剂1～10％、偶联剂1～5％、余量为稳定剂。
9.石墨烯作为一种新兴散热填料，不仅具有优异的力学性能，电子迁移率非常高，且横纵比较大，填充到塑料基体中，可得到高电导率低逾渗浓度的塑料。尤其，由于石墨烯其较大的横向尺寸和独特的二维平面结构，比碳纳米管更容易分散在聚合物基体中。石墨烯不仅在导电性能方面发挥重要作用，在开发高导热性能聚合物复合材料中，也显示出巨大的应用前景。由于石墨烯通过声子传输，使其具有极高的热导率，将其添加到塑料后，能使塑料的热导率由0.1～0.5w/(m
·
k)达到5～10w/(m
·
k)，提高10倍以上，使塑料可应用于led灯的散热件、汽车散热件、电子电器散热壳体等领域，取代部分金属铝等常用散热材料，从而推进器件的轻量化。
10.所述载体树脂包括pa聚酰胺树脂、pp聚丙烯树脂、pc聚碳酸酯。
11.所述润滑剂为硬脂酸或石蜡中的任意一种。
12.所述偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷或异丁基三乙氧基硅烷中的任意一种。
13.所述稳定剂为为二盐基亚磷酸铅。
14.但将石墨烯添加到塑料中制备散热材料时，为获得所需的复合材料导热性能，一个关键因素是实现石墨烯在聚合物基体界面均匀分散，增强界面相互作用。然而，由于石墨烯片之间较强的π-π相互作用，使得石墨烯在聚合物中容易团聚，而且石墨烯和聚合物之间弱范德华力造成彼此的相互作用很弱，此外还有声子散射，在一定程度上会使复合材料的导热性有所降低。因此，还需对石墨烯进行进一步的处理以提升其在塑料基体材料中的分散性。
15.进一步的，所述散热用石墨烯复合塑料，包括以下原料：
16.载体树脂10～85％、改性石墨烯10～85％、润滑剂1～10％、偶联剂1～5％、余量为稳定剂。
17.优选的，所述散热用石墨烯复合塑料，包括以下原料：载体树脂10～85％、改性石墨烯10～85％、润滑剂4～7％、偶联剂2～4％、稳定剂3～6％。
18.进一步优选的，所述散热用石墨烯复合塑料，包括以下原料：载体树脂50～60％、改性石墨烯30～40％、润滑剂4～7％、偶联剂2～4％、稳定剂3～6％。
19.所述改性石墨烯采用如下方法制备得到：
20.s1取20～30mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.4～0.6mmol偶氮二异庚腈溶解在600～800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至75～80℃，然后冷凝和回流，磁力搅拌20～24h进行聚合反应，反应完成后，加入50～100ml丙酮，再于3000～3500rpm下离心10～15min过滤收集沉淀，获得聚合物；
21.s2将10～80g石墨烯分散在30～40l n,n-二甲基甲酰胺中并超声10～15min，然后加入1～3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理20～30min，然后加入12～15mg偶氮二异庚腈，加热至65～75℃，反应20～24h，反应结束后于4000～4500rpm下离心15～20min过滤收集固体，将固体用水洗3～5次后于50～60℃下干燥8～10h得到改性石墨烯。
22.最优选的，所述散热用石墨烯复合塑料，包括以下原料：
23.载体树脂50～60％、改性石墨烯30～40％、润滑剂4～7％、偶联剂2～4％、稳定剂3～6％。
24.所述改性石墨烯采用如下方法制备得到：
25.s1取20～30mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.4～0.6mmol偶氮二异庚腈溶解在600～800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至75～80℃，然后冷凝和回流，然后磁力搅拌20～24h进行聚合反应，反应完成后，加入50～100ml丙酮，再于3000～3500rpm下离心10～15min过滤收集沉淀，获得聚合物；
26.s2将10～80g石墨烯分散在30～40l n,n-二甲基甲酰胺中并超声10～15min，然后加入1～3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理20～30min，然后加入12～15mg偶氮二异庚腈，加热至65～75℃，反应20～24h，反应结束后于4000～4500rpm下离心15～20min过滤收集固体，将固体用水洗3～5次后于50～60℃下干燥8～10h得到石墨烯聚合物；
27.s3取步骤s2制备得到的石墨烯聚合物加10～12l水超声25～30min获得石墨烯聚合物悬浮液，再取1.1～1.3g nano2溶于1.2～1.5l水中，冷却至0～5℃后，加入2.8～3.2g对氨基苯磺酸和50～80ml浓度为0.5～1mol/l hcl溶液，再与上述石墨烯聚合物悬浮液混合，在冰水浴中反应2～3h，然后在室温下再反应2～3h，反应完成后于10000～12000rpm下离心5～8min，取固体再用水洗至中性后得到改性石墨烯。
28.现有技术中，因为石墨烯和载体树脂共混造粒的配方和工艺难度相当高，很难造成颗粒，石墨烯配比少能成型达不到散热效果，石墨烯配比高能达到散热效果但造粒无法成型。此外，现有石墨烯复合塑料只能采用液压机压制成型，因为材质太脆，不能用注塑工艺注塑成型，并且制品品质厚度在5mm以上，每模产品周期在30分钟以上，没有经济价值，不能完全量产，无法用于制作注塑投光灯外壳、注塑筒灯外壳、注塑散热器等替代铝压铸制品。而本发明本发明利用1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐通过原位自由基聚合反应与石墨烯结合，附着在石墨烯表面，同时，在此基础上利用nano2和对氨基苯磺酸对石墨烯聚合物进行进一步处理，可以使得石墨烯在载体树脂中搅拌均匀，还能保持石墨烯表面结构的完整性。制备的石墨烯复合塑料，能通过双螺杆造粒机造成颗粒；并可通过注塑工艺成型，制备得到石墨烯复合塑料具备较高的导热系数、具备良好的拉伸性能以及热稳定性，适宜用于注塑投光灯外壳、注塑筒灯外壳、注塑散热器等。
具体实施方式
29.实施例中各原料介绍：
30.石墨烯，(d50,μm)＜10.0，上海富畦工贸有限公司。
31.1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐，cas1033461-44-7，武汉普洛夫生物科技有限公司。
32.实施例1
33.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
34.称取聚丙烯树脂60g、改性石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得散热用石墨烯复合塑料。
35.所述改性石墨烯采用如下方法制备：
36.s1取30mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.5mmol偶氮二异庚腈溶解在800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至80℃，然后冷凝和回流，然后磁力搅拌24h
进行聚合反应，反应完成后，加入80ml丙酮，再于3500rpm下离心10min过滤收集沉淀，获得聚合物；
37.s2将50g石墨烯分散在40ln,n-二甲基甲酰胺中并超声15min，然后加入3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理30min，然后加入15mg偶氮二异庚腈，加热至75℃，反应24h，反应结束后于4500rpm下离心15min过滤收集固体，将固体用水洗5次后于55℃下干燥10h得到改性石墨烯。
38.实施例2
39.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
40.称取聚丙烯树脂60g、改性石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得散热用石墨烯复合塑料。
41.所述改性石墨烯采用如下方法制备：
42.s1取30mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.5mmol偶氮二异庚腈溶解在800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至80℃，然后冷凝和回流，然后磁力搅拌24h进行聚合反应，反应完成后，加入80ml丙酮，再于3500rpm下离心10min过滤收集沉淀，获得聚合物；
43.s2将50g石墨烯分散在40ln,n-二甲基甲酰胺中并超声15min，然后加入3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理30min，然后加入15mg偶氮二异庚腈，加热至75℃，反应24h，反应结束后于4500rpm下离心15min过滤收集固体，将固体用水洗5次后于55℃下干燥10h得到石墨烯聚合物；
44.s3取步骤s2制备得到的石墨烯聚合物加12l水超声30min获得石墨烯聚合物悬浮液，再取1.25g nano2溶于1.3l水中，冷却至4℃后，加入3.1g对氨基苯磺酸和50ml浓度为1mol/l hcl溶液，再与上述石墨烯聚合物悬浮液混合，在冰水浴中反应2h，然后在室温下再反应3h，反应完成后于12000rpm下离心5min，取固体再用水洗至中性后得到改性石墨烯。
45.实施例3
46.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
47.称取聚丙烯树脂60g、改性石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得散热用石墨烯复合塑料。
48.所述改性石墨烯采用如下方法制备：
49.取50g石墨烯加12l水超声30min获得石墨烯悬浮液，再取1.25g nano2溶于1.3l水中，冷却至4℃后，加入3.1g对氨基苯磺酸和50ml浓度为1mol/l hcl溶液，再与上述石墨烯悬浮液混合，在冰水浴中反应2h，然后在室温下再反应3h，反应完成后于12000rpm下离心5min，取固体再用水洗至中性后得到改性石墨烯。
50.实施例4
51.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
52.称取聚丙烯树脂60g、改性石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧
基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得散热用石墨烯复合塑料。
53.所述改性石墨烯采用如下方法制备：
54.s1取20mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.5mmol偶氮二异庚腈溶解在800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至80℃，然后冷凝和回流，然后磁力搅拌24h进行聚合反应，反应完成后，加入80ml丙酮，再于3500rpm下离心10min过滤收集沉淀，获得聚合物；
55.s2将50g石墨烯分散在40ln,n-二甲基甲酰胺中并超声15min，然后加入3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理30min，然后加入15mg偶氮二异庚腈，加热至75℃，反应24h，反应结束后于4500rpm下离心15min过滤收集固体，将固体用水洗5次后于55℃下干燥10h得到石墨烯聚合物；
56.s3取步骤s2制备得到的石墨烯聚合物加12l水超声30min获得石墨烯聚合物悬浮液，再取1.25g nano2溶于1.3l水中，冷却至4℃后，加入3.1g对氨基苯磺酸和50ml浓度为1mol/l hcl溶液，再与上述石墨烯聚合物悬浮液混合，在冰水浴中反应2h，然后在室温下再反应3h，反应完成后于12000rpm下离心5min，取固体再用水洗至中性后得到改性石墨烯。
57.实施例5
58.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
59.称取聚丙烯树脂60g、改性石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得散热用石墨烯复合塑料。
60.所述改性石墨烯采用如下方法制备：
61.s1取30mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.5mmol偶氮二异庚腈溶解在800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至80℃，然后冷凝和回流，然后磁力搅拌24h进行聚合反应，反应完成后，加入80ml丙酮，再于3500rpm下离心10min过滤收集沉淀，获得聚合物；
62.s2将50g石墨烯分散在40ln,n-二甲基甲酰胺中并超声15min，然后加入3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理30min，然后加入15mg偶氮二异庚腈，加热至75℃，反应24h，反应结束后于4500rpm下离心15min过滤收集固体，将固体用水洗5次后于55℃下干燥10h得到石墨烯聚合物；
63.s3取步骤s2制备得到的石墨烯聚合物加12l水超声30min获得石墨烯聚合物悬浮液，再取1.1g nano2溶于1.3l水中，冷却至4℃后，加入3.1g对氨基苯磺酸和50ml浓度为1mol/l hcl溶液，再与上述石墨烯聚合物悬浮液混合，在冰水浴中反应2h，然后在室温下再反应3h，反应完成后于12000rpm下离心5min，取固体再用水洗至中性后得到改性石墨烯。
64.实施例6
65.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
66.称取聚丙烯树脂60g、改性石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在
室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得散热用石墨烯复合塑料。
67.所述改性石墨烯采用如下方法制备：
68.s1取30mol 1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐和0.5mmol偶氮二异庚腈溶解在800mln,n-二甲基甲酰胺中，在氩气气氛下加热至80℃，然后冷凝和回流，然后磁力搅拌24h进行聚合反应，反应完成后，加入80ml丙酮，再于3500rpm下离心10min过滤收集沉淀，获得聚合物；
69.s2将50g石墨烯分散在40ln,n-二甲基甲酰胺中并超声15min，然后加入3g步骤s1制备得到的聚合物并超声处理30min，然后加入15mg偶氮二异庚腈，加热至75℃，反应24h，反应结束后于4500rpm下离心15min过滤收集固体，将固体用水洗5次后于55℃下干燥10h得到石墨烯聚合物；
70.s3取步骤s2制备得到的石墨烯聚合物加12l水超声30min获得石墨烯聚合物悬浮液，再取1.25g nano2溶于1.3l水中，冷却至4℃后，加入3.2g对氨基苯磺酸和50ml浓度为1mol/l hcl溶液，再与上述石墨烯聚合物悬浮液混合，在冰水浴中反应2h，然后在室温下再反应3h，反应完成后于12000rpm下离心5min，取固体再用水洗至中性后得到改性石墨烯。
71.对比例1
72.一种塑料的制备，包括如下步骤：
73.称取聚丙烯树脂60g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，最后送入双螺杆造粒机进行造粒，再通过注塑机加工成型制得塑料。
74.对比例2
75.一种散热用石墨烯复合塑料的制备，包括如下步骤：
76.称取聚丙烯树脂60g、石墨烯40g、硬脂酸4g、γ-(2,3-环氧丙氧)内基三甲氧基硅烷4g、二盐基亚磷酸铅5g，在110℃下混合15min，然后将混合后的物料冷却至40℃，在室温下放置36小时，造粒松散且无法注塑成型。
77.测试例1
78.对实施例1～6及对比例1制备的石墨烯复合塑料进行热重分析测试，在tg209f1热重分析仪上，在n2下以10℃/min的速度从30℃升温到600℃，得到复合塑料的热重曲线，记录热分解中的热分解初始温度ti以及质量损失50％时的热降解温度t
50％
。测试结果见表1。
79.表1石墨烯复合塑料热降解测试结果表
80.实施例ti/℃t
50％
/℃实施例1307.1494.8实施例2315.9502.2实施例3302.6488.6实施例4310.5496.1实施例5311.3497.6实施例6311.6497.2对比例1223.0401.1
81.由表1可知，将石墨烯用1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐进行改性后，再制备成
复合塑料能明显提高塑料的热稳定性，经过改性后的石墨烯在聚丙烯基体内部的分散性显著提升，两种材料的界面接触面积明显增多，并形成新的相互作用。因为两种物质界面的相互作用增强，因此稳定性也得到提高，从而能有效阻止热量在复合材料界面通道内的传递，提升复合塑料整体的热稳定性。而对比实施例1和实施例2发现，在实施例1的基础上对石墨烯聚合物进行进一步磺化处理能增强两种物质界面的相互作用，共同使复合塑料的内部结构向稳定化。
82.测试例2
83.对实施例1～6及对比例1制备的石墨烯复合塑料进行拉伸强度测试。机械性能测试可以直观反映复合材料承受外加载荷如拉伸、弯曲等行为时所表现出的力学性能。使用美国instron公司3369型万能材料试验仪对淀粉基降解塑料进行拉伸性能试验。具体测试方法按照塑料拉伸性能试验标准gb/t 1040-2006在万能材料试验机上进行拉伸实验，拉伸速率为2mm/min，每组进行5次测试，求其平均值。具体测试结果见表2，拉伸强度按如下公式计算：
[0084][0085]
式中：σ
t
：拉升强度，mpa；
[0086]
f：最大负荷，n；
[0087]
b：试样宽度，mm；
[0088]
h：试样厚度，mm。
[0089]
表2拉伸强度测试结果表
[0090][0091][0092]
由表2看出，由于石墨烯具有完美的二维晶体结构，其晶格是由六个碳原子围成的六边形，因此将其添加到复合塑料中能较大的提升复合塑料的机械性能。但石墨烯的分散性较差，而将石墨烯用1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐进行改性后，石墨烯聚合物能均匀地填充在聚丙烯基体中，有利于进一步提高复合塑料的拉伸强度。
[0093]
测试例3
[0094]
将实施例1～6及对比例1制备的石墨烯复合塑料在25℃、相对湿度为50％条件下
稳定48h后进行性能测试，导热性能测试标准为iso 22007-3-2012；电导率测试标准为iso 08031-2009，测试结果如下表：
[0095]
表3导热/导电性能测试结果表
[0096] 热导率w/(m
·
k)电导率s/cm实施例14.94.5实施例25.85.2实施例33.83.6实施例45.54.8实施例55.64.9实施例65.64.8对比例12.11.7
[0097]
由表3可知，利用1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐通过原位自由基聚合反应与石墨烯结合，附着在石墨烯表面，可以防止石墨烯颗粒在复合塑料制备过程中堆积，同时能保持石墨烯表面结构的完整性，提升复合塑料的导热功能，而对比实施例1和实施例2发现，用1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐与石墨烯结合后，在此基础上利用nano2和对氨基苯磺酸对石墨烯聚合物进行进一步处理能提高复合塑料的导热导电性能。