一种改性石墨烯纳米材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种改性石墨烯纳米材料及其制备方法和应用 (Modified graphene nano material and preparation method and application thereof ) 是由 何智慧 崔巍 王奕璇 周芝苹 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种改性石墨烯纳米材料及其制备方法和应用,具体涉及石墨烯纳米材料技术领域,其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨、去离子水、醇水混合溶剂、氨基苯磺酸钠、纳米催化剂、树脂聚合物、耐磨陶瓷粉料、碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维。本发明通过超声混合过程形成网状导热结构,配合树脂聚合物进行复合成型,更容易发挥石墨烯耐磨陶瓷、碳纤维、金刚石和石英玻璃纤维的特性,从而获得高导热散热材料,对于微电子器件或电子元器件提供高导热散热效果。(The embodiment of the invention discloses a modified graphene nano material as well as a preparation method and application thereof, and particularly relates to the technical field of graphene nano materials, wherein the used main materials comprise the following raw materials in parts by weight: graphite oxide, deionized water, an alcohol-water mixed solvent, sodium aminobenzenesulfonate, a nano catalyst, a resin polymer, wear-resistant ceramic powder, carbon fibers, diamond powder and quartz glass fibers. According to the invention, the net-shaped heat conduction structure is formed through an ultrasonic mixing process, and the characteristics of graphene wear-resistant ceramic, carbon fiber, diamond and quartz glass fiber are more easily exerted by matching with resin polymer for composite molding, so that the high-heat-conductivity heat dissipation material is obtained, and the high-heat-conductivity heat dissipation effect is provided for microelectronic devices or electronic components.)
技术领域
本发明涉及石墨烯纳米材料技术领域，具体涉及一种改性石墨烯纳米材料及其制备方法和应用。
背景技术
电子元件向小型化及多功能化快速发展，元件组装密度越来越高，单位发热量迅速上升,电子工业迫切需要高导热系数和低介电常数的材料。高导热材料作为一种具有强大应用前景的功能材料，由于具有良好的热传导性能，可在微电子、航空航天、军事装备、半导体照明、电机电器等诸多制造业及高科技领域发挥重要的作用。石墨烯独特的二维结构显示出超高的导热系数，单层石墨烯的导热系数高达4840-5300W/m·K，是制备复合散热材料的理想材料之一。
现有技术存在以下不足：虽然石墨烯以及聚合物纳米复合材料因为具有优异的各种性能已经有大量的研究报导，石墨烯导热散热结构路径受到破坏后，对于石墨烯的导热散热效果影响非常大，影响石墨烯材料的使用。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种改性石墨烯纳米材料及其制备方法和应用，通过超声混合过程形成网状导热结构，配合树脂聚合物进行复合成型，更容易发挥石墨烯耐磨陶瓷、碳纤维、金刚石和石英玻璃纤维的特性，从而获得高导热散热材料，对于微电子器件或电子元器件提供高导热散热效果，以解决现有技术中由于石墨烯纳米材料导热散热的结构路径受到破坏，影响导热散热效果，导致的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种改性石墨烯纳米材料，其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨12-20份、去离子水30-34份、醇水混合溶剂24-30份、氨基苯磺酸钠6-10份、纳米催化剂2-3份、树脂聚合物8-12份、耐磨陶瓷粉料4-6份、碳纤维2-3份、金刚石粉末1-2份、石英玻璃纤维1-2份、改性铝钒土1-2份、铝合金粉1-2份、改性碳酸钙粉1-2份和氧化锆1-2份。
进一步的，所述醇水混合溶剂由乙醇和蒸馏水按1:3配比制成。
进一步的，所述纳米催化剂选取二茂铁、四氧化三铁、七水合硫酸亚铁中一种或几种。
进一步的，所述耐磨陶瓷粉料为氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅的混合粉料。
进一步的，所述树脂聚合物为聚酰胺树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物和三聚氰胺甲醛树脂混合聚合物。
上述改性石墨烯纳米材料制备方法，具体包括如下步骤
步骤一：将氧化石墨置入研磨设备进行研磨处理，制得氧化石墨粉末备用；
步骤二：取步骤一中制得的氧化石墨粉末配比相应的去离子水置于反应釜中，在300-500W的超声功率下处理1-2h，在8000-10000rpm的速度下，离心处理5-8min后，过滤除去沉淀，得到氧化石墨烯分散液；
步骤三：取步骤二中的氧化石墨烯分散液与醇水混合溶剂和对氨基苯磺酸钠混合后在400-500W的超声功率下处理30-45min进行超声处理，获得对氨基苯磺酸钠完全溶解的石墨分散液；
步骤四：取步骤三中的石墨分散液添加纳米催化剂，送入研磨机进行30-45min的反复研磨搅拌，后续在8000-10000rpm的速度下，离心处理10-15min后，提取沉淀，得到石墨烯纳米材料；
步骤五：取石墨烯纳米材料和耐磨陶瓷粉料添加至搅拌釜内，开启搅拌釜以180/转分钟的速度搅拌密封，20-30min后，静置2-3h，获得粉料混合物；
步骤六：取树脂聚合物加入到双辊开炼机上混炼均匀，混炼过程中加入步骤二中制得的粉料混合物，混至均匀，得到树脂聚合物预聚体；
步骤七：将步骤二中制得的树脂聚合物预聚体添加至搅拌釜内，然后取碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维、改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆添加至搅拌斧内，开启搅拌釜搅拌5-10min后，将搅拌釜内的温度升温至60℃-80℃，在300-500W的超声功率下处理1-2h，高速搅拌30-40min，倒入可密封的容器内，密封并置于室温环境下静置5-8小时后，再用挤出机挤出造粒或破碎机破碎造粒，制得高导热改性石墨烯纳米材料。
一种改性石墨烯纳米材料的应用：所述一种改性石墨烯纳米材料应用于微电子器件或电子元器件。
本发明实施例具有如下优点：
1、本发明通过将石墨烯、耐磨陶瓷、碳纤维、金刚石和石英玻璃纤维通过超声混合过程形成网状结构的石墨烯纳米改性结构，配合树脂聚合物进行复合成型，更容易发挥石墨烯耐磨陶瓷、碳纤维、金刚石和石英玻璃纤维的特性，从而获得高导热散热材料，树脂聚合物对散热路径结构进行保护，对于微电子器件或电子元器件提供高导热散热效果，同时添加改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆，使材料的弹性模量提高、最大值应力和断裂点应力增大，提高抗拉伸性能，延长材料的使用寿命。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种改性石墨烯纳米材料，其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨12份、去离子水30份、醇水混合溶剂24份、氨基苯磺酸钠6份、纳米催化剂2份、树脂聚合物8份、耐磨陶瓷粉料4份、碳纤维2份、金刚石粉末1份、石英玻璃纤维1份、改性铝钒土1份、铝合金粉1份、改性碳酸钙粉1份和氧化锆1份。
进一步的，所述醇水混合溶剂由乙醇和蒸馏水按1:3配比制成。
进一步的，所述纳米催化剂选取二茂铁、四氧化三铁、七水合硫酸亚铁中一种或几种。
进一步的，所述耐磨陶瓷粉料为氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅的混合粉料。
进一步的，所述树脂聚合物为聚酰胺树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物和三聚氰胺甲醛树脂混合聚合物。
一种改性石墨烯纳米材料制备方法：
步骤一：将氧化石墨置入研磨设备进行研磨处理，制得氧化石墨粉末备用；
步骤二：取步骤一中制得的氧化石墨粉末配比相应的去离子水置于反应釜中，在400W的超声功率下处理2h，在9000rpm的速度下，离心处理8min后，过滤除去沉淀，得到氧化石墨烯分散液；
步骤三：取步骤二中的氧化石墨烯分散液与醇水混合溶剂和对氨基苯磺酸钠混合后在450W的超声功率下处理45min进行超声处理，获得对氨基苯磺酸钠完全溶解的石墨分散液；
步骤四：取步骤三中的石墨分散液添加纳米催化剂，送入研磨机进行45min的反复研磨搅拌，后续在9000rpm的速度下，离心处理15min后，提取沉淀，得到石墨烯纳米材料；
步骤五：取石墨烯纳米材料和耐磨陶瓷粉料添加至搅拌釜内，开启搅拌釜以180/转分钟的速度搅拌密封，30min后，静置3h，获得粉料混合物；
步骤六：取树脂聚合物加入到双辊开炼机上混炼均匀，混炼过程中加入步骤二中制得的粉料混合物，混至均匀，得到树脂聚合物预聚体；
步骤七：将步骤二中制得的树脂聚合物预聚体添加至搅拌釜内，然后取碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维、改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆添加至搅拌斧内，开启搅拌釜搅拌10min后，将搅拌釜内的温度升温至70℃，在400W的超声功率下处理2h，高速搅拌40min，倒入可密封的容器内，密封并置于室温环境下静置8小时后，再用挤出机挤出造粒或破碎机破碎造粒，制得高导热改性石墨烯纳米材料。
一种改性石墨烯纳米材料的应用：所述一种改性石墨烯纳米材料应用于微电子器件或电子元器件。
实施例2：
一种改性石墨烯纳米材料，其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨20份、去离子水34份、醇水混合溶剂30份、氨基苯磺酸钠10份、纳米催化剂3份、树脂聚合物12份、耐磨陶瓷粉料6份、碳纤维3份、金刚石粉末2份、石英玻璃纤维2份、改性铝钒土2份、铝合金粉2份、改性碳酸钙粉2份和氧化锆2份。
进一步的，所述醇水混合溶剂由乙醇和蒸馏水按1:3配比制成。
进一步的，所述纳米催化剂选取二茂铁、四氧化三铁、七水合硫酸亚铁中一种或几种。
进一步的，所述耐磨陶瓷粉料为氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅的混合粉料。
进一步的，所述树脂聚合物为聚酰胺树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物和三聚氰胺甲醛树脂混合聚合物。
一种改性石墨烯纳米材料制备方法：
步骤一：将氧化石墨置入研磨设备进行研磨处理，制得氧化石墨粉末备用；
步骤二：取步骤一中制得的氧化石墨粉末配比相应的去离子水置于反应釜中，在400W的超声功率下处理2h，在9000rpm的速度下，离心处理8min后，过滤除去沉淀，得到氧化石墨烯分散液；
步骤三：取步骤二中的氧化石墨烯分散液与醇水混合溶剂和对氨基苯磺酸钠混合后在450W的超声功率下处理45min进行超声处理，获得对氨基苯磺酸钠完全溶解的石墨分散液；
步骤四：取步骤三中的石墨分散液添加纳米催化剂，送入研磨机进行45min的反复研磨搅拌，后续在9000rpm的速度下，离心处理15min后，提取沉淀，得到石墨烯纳米材料；
步骤五：取石墨烯纳米材料和耐磨陶瓷粉料添加至搅拌釜内，开启搅拌釜以180/转分钟的速度搅拌密封，30min后，静置3h，获得粉料混合物；
步骤六：取树脂聚合物加入到双辊开炼机上混炼均匀，混炼过程中加入步骤二中制得的粉料混合物，混至均匀，得到树脂聚合物预聚体；
步骤七：将步骤二中制得的树脂聚合物预聚体添加至搅拌釜内，然后取碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维、改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆添加至搅拌斧内，开启搅拌釜搅拌10min后，将搅拌釜内的温度升温至70℃，在400W的超声功率下处理2h，高速搅拌40min，倒入可密封的容器内，密封并置于室温环境下静置8小时后，再用挤出机挤出造粒或破碎机破碎造粒，制得高导热改性石墨烯纳米材料。
一种改性石墨烯纳米材料的应用：所述一种改性石墨烯纳米材料应用于微电子器件或电子元器件。
实施例3：
一种改性石墨烯纳米材料，其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨16份、去离子水32份、醇水混合溶剂27份、氨基苯磺酸钠8份、纳米催化剂2.5份、树脂聚合物10份、耐磨陶瓷粉料5份、碳纤维2.5份、金刚石粉末1.5份、石英玻璃纤维1.5份、改性铝钒土1.5份、铝合金粉1.5份、改性碳酸钙粉1.5份和氧化锆1.5份。
进一步的，所述醇水混合溶剂由乙醇和蒸馏水按1:3配比制成。
进一步的，所述纳米催化剂选取二茂铁、四氧化三铁、七水合硫酸亚铁中一种或几种。
进一步的，所述耐磨陶瓷粉料为氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅的混合粉料。
进一步的，所述树脂聚合物为聚酰胺树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物和三聚氰胺甲醛树脂混合聚合物。
一种改性石墨烯纳米材料制备方法：
步骤一：将氧化石墨置入研磨设备进行研磨处理，制得氧化石墨粉末备用；
步骤二：取步骤一中制得的氧化石墨粉末配比相应的去离子水置于反应釜中，在400W的超声功率下处理1.5h，在9000rpm的速度下，离心处理6.5min后，过滤除去沉淀，得到氧化石墨烯分散液；
步骤三：取步骤二中的氧化石墨烯分散液与醇水混合溶剂和对氨基苯磺酸钠混合后在450W的超声功率下处理37.5min进行超声处理，获得对氨基苯磺酸钠完全溶解的石墨分散液；
步骤四：取步骤三中的石墨分散液添加纳米催化剂，送入研磨机进行37.5min的反复研磨搅拌，后续在9000rpm的速度下，离心处理12.5min后，提取沉淀，得到石墨烯纳米材料；
步骤五：取石墨烯纳米材料和耐磨陶瓷粉料添加至搅拌釜内，开启搅拌釜以180/转分钟的速度搅拌密封，25min后，静置2.5h，获得粉料混合物；
步骤六：取树脂聚合物加入到双辊开炼机上混炼均匀，混炼过程中加入步骤二中制得的粉料混合物，混至均匀，得到树脂聚合物预聚体；
步骤七：将步骤二中制得的树脂聚合物预聚体添加至搅拌釜内，然后取碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维、改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆添加至搅拌斧内，开启搅拌釜搅拌7.5min后，将搅拌釜内的温度升温至70℃，在400W的超声功率下处理1.5h，高速搅拌35min，倒入可密封的容器内，密封并置于室温环境下静置6.5小时后，再用挤出机挤出造粒或破碎机破碎造粒，制得高导热改性石墨烯纳米材料。
一种改性石墨烯纳米材料的应用：所述一种改性石墨烯纳米材料应用于微电子器件或电子元器件。
实施例4
一种改性石墨烯纳米材料，其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨16份、去离子水32份、醇水混合溶剂27份、氨基苯磺酸钠8份、纳米催化剂2.5份、树脂聚合物10份、耐磨陶瓷粉料5份、碳纤维2.5份、金刚石粉末1.5份、石英玻璃纤维1.5份、改性铝钒土1.5份、铝合金粉1.5份、改性碳酸钙粉1.5份和氧化锆1.5份。
进一步的，所述醇水混合溶剂由乙醇和蒸馏水按1:3配比制成。
进一步的，所述纳米催化剂选取二茂铁、四氧化三铁、七水合硫酸亚铁中一种或几种。
进一步的，所述耐磨陶瓷粉料为氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅的混合粉料。
进一步的，所述树脂聚合物为聚酰胺树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物和三聚氰胺甲醛树脂混合聚合物。
一种改性石墨烯纳米材料制备方法：
步骤一：将氧化石墨置入研磨设备进行研磨处理，制得氧化石墨粉末备用；
步骤二：取步骤一中制得的氧化石墨粉末配比相应的去离子水置于反应釜中，在400W的超声功率下处理1h，在9000rpm的速度下，离心处理5min后，过滤除去沉淀，得到氧化石墨烯分散液；
步骤三：取步骤二中的氧化石墨烯分散液与醇水混合溶剂和对氨基苯磺酸钠混合后在450W的超声功率下处理30min进行超声处理，获得对氨基苯磺酸钠完全溶解的石墨分散液；
步骤四：取步骤三中的石墨分散液添加纳米催化剂，送入研磨机进行30min的反复研磨搅拌，后续在9000rpm的速度下，离心处理10min后，提取沉淀，得到石墨烯纳米材料；
步骤五：取石墨烯纳米材料和耐磨陶瓷粉料添加至搅拌釜内，开启搅拌釜以180/转分钟的速度搅拌密封，20min后，静置2h，获得粉料混合物；
步骤六：取树脂聚合物加入到双辊开炼机上混炼均匀，混炼过程中加入步骤二中制得的粉料混合物，混至均匀，得到树脂聚合物预聚体；
步骤七：将步骤二中制得的树脂聚合物预聚体添加至搅拌釜内，然后取碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维、改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆添加至搅拌斧内，开启搅拌釜搅拌5min后，将搅拌釜内的温度升温至70℃，在400W的超声功率下处理1h，高速搅拌30min，倒入可密封的容器内，密封并置于室温环境下静置5小时后，再用挤出机挤出造粒或破碎机破碎造粒，制得高导热改性石墨烯纳米材料。
一种改性石墨烯纳米材料的应用：所述一种改性石墨烯纳米材料应用于微电子器件或电子元器件。
实施例5
一种改性石墨烯纳米材料，其中所使用的主料包括以下重量份数的原料：氧化石墨16份、去离子水32份、醇水混合溶剂27份、氨基苯磺酸钠8份、纳米催化剂2.5份、树脂聚合物10份、耐磨陶瓷粉料5份、碳纤维2.5份、金刚石粉末1.5份、石英玻璃纤维1.5份、改性铝钒土1.5份、铝合金粉1.5份、改性碳酸钙粉1.5份和氧化锆1.5份。
进一步的，所述醇水混合溶剂由乙醇和蒸馏水按1:3配比制成。
进一步的，所述纳米催化剂选取二茂铁、四氧化三铁、七水合硫酸亚铁中一种或几种。
进一步的，所述耐磨陶瓷粉料为氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅的混合粉料。
进一步的，所述树脂聚合物为聚酰胺树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物和三聚氰胺甲醛树脂混合聚合物。
一种改性石墨烯纳米材料制备方法：
步骤一：将氧化石墨置入研磨设备进行研磨处理，制得氧化石墨粉末备用；
步骤二：取步骤一中制得的氧化石墨粉末配比相应的去离子水置于反应釜中，在400W的超声功率下处理2h，在9000rpm的速度下，离心处理8min后，过滤除去沉淀，得到氧化石墨烯分散液；
步骤三：取步骤二中的氧化石墨烯分散液与醇水混合溶剂和对氨基苯磺酸钠混合后在450W的超声功率下处理45min进行超声处理，获得对氨基苯磺酸钠完全溶解的石墨分散液；
步骤四：取步骤三中的石墨分散液添加纳米催化剂，送入研磨机进行45min的反复研磨搅拌，后续在9000rpm的速度下，离心处理15min后，提取沉淀，得到石墨烯纳米材料；
步骤五：取石墨烯纳米材料和耐磨陶瓷粉料添加至搅拌釜内，开启搅拌釜以180/转分钟的速度搅拌密封，30min后，静置3h，获得粉料混合物；
步骤六：取树脂聚合物加入到双辊开炼机上混炼均匀，混炼过程中加入步骤二中制得的粉料混合物，混至均匀，得到树脂聚合物预聚体；
步骤七：将步骤二中制得的树脂聚合物预聚体添加至搅拌釜内，然后取碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维、改性铝钒土、铝合金粉、改性碳酸钙粉和氧化锆添加至搅拌斧内，开启搅拌釜搅拌10min后，将搅拌釜内的温度升温至70℃，在400W的超声功率下处理2h，高速搅拌40min，倒入可密封的容器内，密封并置于室温环境下静置8小时后，再用挤出机挤出造粒或破碎机破碎造粒，制得高导热改性石墨烯纳米材料。
一种改性石墨烯纳米材料的应用：所述一种改性石墨烯纳米材料应用于微电子器件或电子元器件。
过以上5组实施例可以得到5种改性石墨烯纳米材料，将这种改性石墨烯纳米材料分别进行性能测试，再用市售普通的改性石墨烯纳米材料进行对比性能试验，得到对比例1，结果得出四组实施例中的高导热材料复合填料的性能均有不同的提升，在测试的过程中，获得的各项参数对比如下表：
通过上述的数据可得知，本发明的各个实施例的性能均由于市售现有的产品，平均硬度和导热效果明显得到了改善；
实施例3制得的改性石墨烯纳米材料传热效率最好，同时硬度较高，同时具有很强的阻燃效果，通过添加耐磨陶瓷，通过耐磨陶瓷中的氮化硅、三氧化二铝、碳化硅、氧化硅，提高材料的平均硬度，进而相对于现有石墨烯纳米材料提升材料的耐磨性能，进而避免材料内部形成的导热网络受到破坏，同时保护设备电子元件，碳纤维、金刚石粉末、石英玻璃纤维与石墨烯纳米材料的网状结构相结合，在树脂聚合物内部形成密集的导热网络，提高导热复合材料的导热性能，且树脂聚合物具有坚韧、柔软性、结合力强、耐磨、耐油、耐水、抗酶菌、吸水大等特点，提高材料的综合性能，方便材料的使用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。