一种具有电热和散热功能薄膜的制备方法与流程

本发明属于一种同时具备电热和散热功能薄膜的制备方法。
背景技术：
：近年来，由于国家对环境关注程度加大，电动汽车发展迅速，作为电动汽车动力源的锂离子电池的工作性能和寿命受温度影响甚大，当工作环境温度过高时，长时间工作会导致电池内部温度过高产生温度保护，放电停止；当工作环境温度过低时，锂离子活性会降低，导致容量减小，甚至完全丧失放电能力。现有技术一般是通过加热片等来改善低温环境，而通过风扇等散热方式改善高温环境，如专利CN204793107U，散热是通过风扇，加热是采用加热片，两者结合实现控制温度的目的，该方式可以起到电池热管理的目的，然而由于其结构复杂，效率低，使用不方便；若能将加热和散热合二为一，不但可以减小动力源体积，而且可以提高电池的效率。碳纤维是一种经过高温碳化的纤维材料，其碳含量高于85％。碳纤维具有高强、低密、耐腐蚀、耐高温等优异的性能，在航空、电子、机械等许多领域有重要的应用价值，将碳纤维混杂排布形成碳纤维纸等基体，碳纤维可以形成导电网络，从而具备电加热的功能。石墨烯是目前世上已知的最薄却最坚硬的材料，具有优异的导热导电性能，导热系数高达5300W/(m·K)，成为散热材料领域的一颗新星。石墨烯片层搭接形成石墨烯膜可以形成导热网络，导热系数可以高达数百，比传统石墨材料更加优异。石墨烯的制备方法主要有以下三种：机械剥离法，化学气相沉积法，化学氧化还原法。化学氧化还原法制备石墨烯成本低，可以实现规模化，是目前比较常用的大量制备石墨烯的方法。然而目前制备的石墨烯膜其导电性并不好，主要是由于各种制备方法很难得到完美的石墨烯片层结构，石墨烯上的缺陷影响片层电子的传输，进而影响其导电性能。技术实现要素：本发明的目的是提供一种散热效率高，导电性能好的具有电热和散热功能薄膜的制备方法。本发明是以具备电加热性能的碳纤维制品作为基体，在聚乙烯醇PVA中浸渍，调控基体的微结构，与氧化石墨烯复合得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜，然后将其高温热还原，得到具有电热和散热功能薄膜。本发明电热和散热功能薄膜制备方法，其具体包括如下工艺步骤：(1)氧化石墨烯溶液超声分散，得到氧化石墨烯溶液碳溶液，使其片层分离，从而形成导热性能优异的单片层还原氧化石墨烯；(2)碳纤维基体在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干，得到含有聚乙烯醇碳纤维基体，有效调控碳纤维基体的微结构，从而调控氧化石墨烯的负载量；(3)将步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体与步骤(1)氧化石墨烯溶液碳溶液通过浸渍、压力辅助沉积、涂覆等方式复合，得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在惰性或还原性气氛中进行高温热还原，得到电热和散热功能薄膜。如上所述的氧化石墨烯为机械剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、化学氧化还原法的一种或其混合物；如上所述的氧化石墨烯的浓度为1-15mg/ml，超声时间为20-120min，超声功率为100-500W；如上所述具有电热功能的碳纤维基体为沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维、酚醛基碳纤维、粘胶基碳纤维、气相生长基碳纤维中的一种或几种的混合物制备的纸或布，碳纤维含量为10-50g/m2；如上所述高温热还原的温度为600-1500℃，热处理时间为0.5-6小时，惰性、还原性气氛为氩气、氮气、氦气或氢气。本发明的优势在于：本发明提供了一种具有电热和散热功能薄膜的制备方法，原料来源丰富，制备的膜材料成本低，强度高，柔韧性好，易于工业化生产和使用。本发明同时具备电加热和散热的功能，可以用于电池的热管理方面，包覆在电池的表面甚至可以放在电池的电解液中(由于碳纤维和石墨烯均为炭材料，性能温度且耐高温、耐腐蚀，使用寿命长)，在环境温度较低时，通电加热提高电池的工作温度，在环境温度较高时，可以作为很好的散热材料，迅速转移电池周围的热量，使电池在适合的温度高效率运行。本发明有效将低温加热和高温散热结合起来，与加热片和散热风扇结合的方式相比，具有节省体积、减轻质量且效率高、制备简单等优势。附图说明图1为碳纤维基体的SEM图片；图2为电热和散热功能薄膜的SEM图片；图3为10cm×10cm电热和散热功能薄膜通电加热时温度随时间变化曲线。具体实施方式实施例1(1)化学气相沉积法制备的15mg/ml氧化石墨烯溶液，在100W条件下超声处理30min，得到氧化石墨烯溶液碳溶液；(2)含碳纤维10g/m2的沥青基碳纤维布在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干；(3)将步骤(1)中的氧化石墨烯溶液碳溶液涂覆在步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体上干燥后得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在氩气气氛下600℃进行高温热还原0.5h得到具有电热和散热功能薄膜。测试其导热系数为50W/(m·K)，面电阻为8.62Ω/cm2。实施例2(1)外延生长法制备的10mg/ml氧化石墨烯溶液200W条件下超声处理40min，得到氧化石墨烯溶液碳溶液；(2)30g/m2的粘胶基碳纤维布在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干；(3)将步骤(1)中的氧化石墨烯溶液碳溶液涂覆在步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体上干燥后得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在氦气气氛下800℃进行高温热还原1h得到具有电热和散热功能薄膜。测试其导热系数为80W/(m·K)，面电阻为7.51Ω/cm2。实施例3(1)机械剥离法制备的5mg/ml氧化石墨烯溶液100W条件下超声处理20min，得到氧化石墨烯溶液碳溶液；(2)20g/m2的酚醛基碳纤维布在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干；(3)将步骤(1)中的氧化石墨烯溶液碳溶液涂覆在步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体上干燥后得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在氮气气氛下600℃进行高温热还原3h得到具有电热和散热功能薄膜。测试其导热系数为40W/(m·K)，面电阻为7.85Ω/cm2。实施例4(1)化学氧化还原法制备的10mg/ml氧化石墨烯溶液300W条件下超声处理30min，得到氧化石墨烯溶液碳溶液；(2)40g/m2的气相生长碳纤维布在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干；(3)将步骤(1)中的氧化石墨烯溶液碳溶液涂覆在步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体上干燥后得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在氮气气氛下1000℃进行高温热还原3h得到具有电热和散热功能薄膜。测试其导热系数为100W/(m·K)，面电阻为6.96Ω/cm2。实施例5(1)化学氧化还原法制备的1mg/ml氧化石墨烯溶液100W条件下超声处理30min，得到氧化石墨烯溶液碳溶液；(2)50g/m2的聚丙烯腈基碳纤维布在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干；(3)将步骤(1)中的氧化石墨烯溶液碳溶液涂覆在步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体上干燥后得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在氢气气氛下1000℃进行高温热还原3h得到具有电热和散热功能薄膜。测试其导热系数为120W/(m·K)，面电阻为6.88Ω/cm2。实施例6(1)化学氧化还原法制备的8mg/ml氧化石墨烯溶液500W条件下超声处理120min，得到氧化石墨烯溶液碳溶液；(2)30g/m2的聚丙烯腈基碳纤维布在聚乙烯醇(PVA)溶液中浸渍后晾干；(3)将步骤(1)中的氧化石墨烯溶液碳溶液涂覆在步骤(2)含有聚乙烯醇碳纤维基体上干燥后得到碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜；(4)将步骤(3)得到的碳纤维/氧化石墨烯(CF/GO)复合膜在氩气气氛下1500℃进行高温热还原6h得到具有电热和散热功能薄膜。测试其导热系数为210W/(m·K)，面电阻为6.83Ω/cm2。样品名称导热系数面电阻碳纤维基体1W/(m·K)10.86Ω/cm2实施例150W/(m·K)8.62Ω/cm2实施例280W/(m·K)7.51Ω/cm2实施例340W/(m·K)7.85Ω/cm2实施例4100W/(m·K)6.96Ω/cm2实施例5120W/(m·K)6.88Ω/cm2实施例6210W/(m·K)6.83Ω/cm2碳纤维基体可以实现通电加热功能，然而测试其导热系数，大约为1W/(m·K)，面电阻为10.86Ω/cm2，与石墨烯复合后，其热扩散系数可以提高数十甚至数百倍，可以满足作为散热材料的要求，其面电阻变化不大，仍具有电加热功能，拓宽了应用范围。尽管本发明进行了一定程度的描述，在不脱离本发明的范围的条件下，可进行各个条件的适当变化，可以理解为本发明不限于以上所述实施方案，而归于权利要求的范围，包括所述因素的等同替换，皆在本专利范围。当前第1页1 2 3