一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料及其制法
阅读说明：本技术 一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料及其制法 (Functional BN-rGO in-situ polymerization polyurethane heat-conducting insulating material and preparation method thereof ) 是由 程恩志 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及导热绝缘材料技术领域,且公开了一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料,还原氧化石墨烯的片层之间相互叠加,形成大量褶皱,经过超声,得到BN-rGO复合材料,BN片层构成连续的三维网状结构,减少复合材料之间的界面热阻,为聚氨酯复合材料构筑了优异的三维导热网络,BN隔断rGO之间电子传输,确保复合材料良好的电绝缘性能,在Tris缓冲液中,多巴胺发生自聚合形成聚多巴胺,与BN-rGO复合材料反应,得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO,再以聚四氢呋喃二醇和二苯甲烷二异氰酸酯为原料,得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料,改善BN-rGO在聚氨酯中的分散性和相容性,使得聚氨酯具有优异的导热性和绝缘性。(The invention relates to the technical field of heat-conducting insulating materials, and discloses a functional BN-rGO in-situ polymerization polyurethane heat-conducting insulating material, wherein a plurality of folds are formed by mutually overlapping reduction graphene oxide sheets, a BN-rGO composite material is obtained by ultrasonic treatment, the BN sheets form a continuous three-dimensional network structure, the interface thermal resistance between the composite materials is reduced, an excellent three-dimensional heat-conducting network is constructed for the polyurethane composite material, the BN cuts off the electron transmission between rGO and ensures the good electrical insulating property of the composite material, in Tris buffer solution, dopamine undergoes self-polymerization to form polydopamine which reacts with the BN-rGO composite material to obtain the functional BN-rGO modified by the polydopamine, and then polytetrahydrofuran diol and diphenylmethane diisocyanate are used as raw materials to obtain the functional BN-rGO in-situ polymerization polyurethane heat-conducting insulating material, the dispersibility and compatibility of BN-rGO in polyurethane are improved, so that the polyurethane has excellent thermal conductivity and insulating property.)
技术领域
本发明涉及导热绝缘材料技术领域，具体为一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料及其制法。
背景技术
近年来，随着电子工业的发展和日趋成熟，电子设备内部器件的尺寸也趋于微小化，单位体积内器件的密度越来越高，使得设备在工作时，其内部环境的温度不但上升，到时热量迅速积累，因此，电子器件的散热性能好坏对整个系统的安全稳定运行非常重要，需要制备一种导热绝缘的复合材料，可以很好地将电子器件的热量迅速传递出去。
水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，具备无毒、无法燃烧、安全性好、无污染等优点，广泛应用于涂料、胶黏剂等领域，但是水性聚氨酯本身的导热性、绝缘性较差，我们需要对水性聚氨酯进行化学改性处理，使其具有优异的导热性、绝缘性，石墨烯具有超高的热导率，氮化硼不仅具有优异的导热性，而且有着很好地绝缘性，因此，我们采用功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯的方式来解决上述问题。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料及其制法，解决了聚氨酯本身导热性和绝缘性较差问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料，所述功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料制备方法如下：
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气10-20min，将管式炉预加热至780-820℃后，将法兰置于管式炉中保温8-12min，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，超声1-3h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声30-90min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，室温下磁力搅拌18-30h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在70-90℃水浴中搅拌15-25min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在75-85℃水浴中搅拌2-4h，然后降温至40-50℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化20-40min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，反应30-60min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
优选的，所述步骤(1)中管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口。
优选的，所述步骤(2)中还原氧化石墨烯、氮化硼的质量比为1.5-2:100。
优选的，所述步骤(3)中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:25-35。
优选的，所述步骤(4)中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:12-15:70-80:0.1-0.5:8-12:25-45:3-6。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料，经过高温热还原，得到还原氧化石墨烯，其片层之间相互叠加，形成大量的褶皱，增大比表面积，经过超声分散均匀，得到BN-rGO复合材料，rGO与BN桥联，rGO具有超大的纵横比，降低了尺寸效应对离子散射的贡献，超高的比表面积增大了复合材料之间的接触面积，提高了复合材料之间的搭接率，使得BN片层之间相互搭接构成连续的三维多孔网状结构，减少了复合材料之间的界面热阻，为聚氨酯复合材料构筑了优异的三维导热网络，单一材料需要在含量高的时候下才能形成有效的导热通路，而三维导热网络可以在复合材料含量低的时候保证导热网络的连续性，同时BN隔断了rGO之间的电子传输，抑制石墨烯形成导电网络，确保复合材料良好的电绝缘性能。
该一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料，在Tris缓冲液中，多巴胺发生自聚合形成聚多巴胺，与BN-rGO复合材料发生化学反应，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，引入了氨基，增强复合材料与基质之间的界面结合力，提高复合材料与基质整体的热稳定性，再以聚四氢呋喃二醇和二苯甲烷二异氰酸酯为原料、二月桂酸二丁基锡为催化剂，用三乙胺调节溶液pH、去离子水调节溶液粘度、2,2-二羟甲基丙酸提高聚氨酯的水性，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料，聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO的氨基和羟基与水性聚氨酯硬段的氨酯键和脲键之间发生了氢键缔合，使得聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO与水性聚氨酯硬段的相互作用较大，从而改善了聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO在水性聚氨酯中的分散性和相容性，使得聚氨酯具有优异的导热性和绝缘性。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料，功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料制备方法如下：
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气10-20min，将管式炉预加热至780-820℃后，将法兰置于管式炉中保温8-12min，管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，二者的质量比为1.5-2:100，超声1-3h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声30-90min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，其中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:25-35，室温下磁力搅拌18-30h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在70-90℃水浴中搅拌15-25min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在75-85℃水浴中搅拌2-4h，然后降温至40-50℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化20-40min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，其中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:12-15:70-80:0.1-0.5:8-12:25-45:3-6，反应30-60min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
实施例1
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气10min，将管式炉预加热至780℃后，将法兰置于管式炉中保温8min，管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，二者的质量比为1.5:100，超声1h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声30min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，其中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:25，室温下磁力搅拌18h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在70℃水浴中搅拌15min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在75℃水浴中搅拌2h，然后降温至40℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化20min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，其中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:12:70:0.1:8:25:3，反应30min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
实施例2
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气15min，将管式炉预加热至800℃后，将法兰置于管式炉中保温10min，管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，二者的质量比为1.8:100，超声2h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声60min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，其中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:30，室温下磁力搅拌24h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在80℃水浴中搅拌20min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在80℃水浴中搅拌3h，然后降温至45℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化30min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，其中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:13.5:75:0.3:10:35:4.5，反应45min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
实施例3
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气15min，将管式炉预加热至790℃后，将法兰置于管式炉中保温8min，管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，二者的质量比为1.7:100，超声2h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声50min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，其中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:29，室温下磁力搅拌20h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在75℃水浴中搅拌20min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在75℃水浴中搅拌4h，然后降温至40℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化30min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，其中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:13:75:0.4:9:37:5，反应40min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
实施例4
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气20min，将管式炉预加热至820℃后，将法兰置于管式炉中保温12min，管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，二者的质量比为2:100，超声3h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声90min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，其中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:35，室温下磁力搅拌30h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在90℃水浴中搅拌25min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在85℃水浴中搅拌4h，然后降温至50℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化40min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，其中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:15:80:0.5:2:45:6，反应60min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
对比例1
(1)向坩埚中加入氧化石墨，再放入法兰管中密封好，在室温下通入氮气10min，将管式炉预加热至820℃后，将法兰置于管式炉中保温8min，管式炉包括主体，主体的顶部活动连接有炉管，炉管的右侧活动连接有端盖，端盖的右侧活动连接有气孔，主体的底部活动连接有底座，底座的顶部活动连接有电机，电机的右侧活动连接有主动轮，主体的右侧活动连接有连接杆，连接杆的中间活动连接有被动轮，连接杆的左侧活动连接有燃烧器，燃烧器的左侧活动连接有喷口，冷却，得到还原氧化石墨烯；
(2)向烧杯中加入去离子水、还原氧化石墨烯、氮化硼，二者的质量比为1.1:100，超声3h分散均匀，洗涤、过滤、冷冻干燥，得到BN-rGO复合材料；
(3)向烧杯中加入去离子水、BN-rGO复合材料，超声30min分散均匀，再加入Tris缓冲液，超声分散均匀，再加入5％的盐酸溶液调节pH到8.5，再加入多巴胺，其中BN-rGO复合材料、多巴胺的质量比为100:20，室温下磁力搅拌18h，离心、洗涤并干燥，得到聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO；
(4)向烧杯中加入聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸，在90℃水浴中搅拌15min，再加入二苯甲烷二异氰酸酯、催化剂二月桂酸二丁基锡，继续在85℃水浴中搅拌2h，然后降温至50℃，加入三乙胺，进行高速搅拌，并加入去离子水、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO，乳化20min，再加入小分子扩链剂1,4-丁二醇，其中聚四氢呋喃二醇、2,2-二羟甲基丙酸、二苯甲烷二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、三乙胺、聚多巴胺修饰的功能化BN-rGO、1,4-丁二醇的质量比为100:10:60:0.1:6:20:2，反应60min，移入锥形瓶，真空脱出气泡，倒入模具中，常温放置后干燥，得到功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料。
使用C-Therm TCi型导热分析仪，测量室温下实施例和对比例中得到的功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料的导热系数，测试标准为GB/T10294-2008。
使用LK2679A型高绝缘电阻测试仪测量室温下实施例和对比例中得到的功能化BN-rGO原位聚合聚氨酯导热绝缘材料的电阻率，测试标准为GB/T1410。
