[发明专利]高热通量石墨烯-聚酰亚胺碳化膜及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种高热通量石墨烯‑聚酰亚胺碳化膜及其制备方法和用途，该制备方法为先将两单体二胺及二酐中的一种与石墨烯混合得到混合浆料，再将混合浆料与另一种单体的分散液经多层共挤流延成膜，反应聚合，干燥，双向拉伸，热处理进行亚胺化，制得石墨烯‑聚酰亚胺复合膜；然后将复合膜进行碳化和石墨化，制得石墨烯‑聚酰亚胺碳化膜。制备过程中通过双向拉伸诱导使薄膜内石墨烯填料水平取向，搭接构成连续导热网络；促使膜中聚酰亚胺分子链结晶和取向，提高膜整体导热能力和力学强度，同时增强了复合膜的韧性，提高了厚膜的成膜率，优良的导热性和均热性有助于聚酰亚胺有序碳化和充分石墨化。该碳化膜作为一种面状导热材料可用于高温元件散热。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高热通量石墨烯-聚酰亚胺碳化膜及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，由于电子设备中使用更高的密度和更大功率的电路，电子元件产生的热量被认为是迫切需要解决的关键问题之一。研究表明，当导热填料分散在聚合物中时，复合材料导热系数可以大大提高。

聚酰亚胺薄膜是一种新型的聚合物薄膜，由二胺和二酐缩聚形成聚酰胺酸前驱体，再经亚胺化而成。聚酰亚胺具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性、抗辐射性、耐高温和耐低温性能，但是导热系数仅为0.16W/m·K，限制了在电子材料技术领域中的应用。在聚酰亚胺薄膜的制备方面，早在1966年我国即开始研究聚酰亚胺薄膜的技术，现有相关厂家50家以上。近年来随着产业发展，国内相继开发出多种类型聚酰亚胺薄膜，但仍与国外有较大差距。国内多数企业生产的聚酰亚胺薄膜稳定性欠佳，高需求应用场景下只能依赖进口产品。

石墨烯材料具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/m·K，是迄今为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/m·K)和多壁碳纳米管(3000W/m·K)。当它作为载体时，导热系数也可达600W/m·K。

传统导热膜的制备方法，一种是以聚酰亚胺为主的高结晶性聚合物膜为材料前驱体，经高温石墨化后得到人造石墨膜，其导热能力受到聚合物膜结晶性和结晶取向的规整度影响；或是以石墨烯/聚酰胺酸复合浆料依次进行自组装成膜、亚胺化、碳化、石墨化制备的人造石墨膜，如中国专利CN111378191A公开的一种石墨烯/聚酰亚胺导热膜及其制备方法，该方法是以水为介质的聚酰胺酸纳米乳液加入到以水为介质的石墨烯分散液中，搅拌得到石墨烯/聚酰胺酸复合浆料，将石墨烯/聚酰胺酸复合浆料依次进行自组装成膜、亚胺化、碳化、石墨化。另一种策略是使用不同填料类混合物或导热性填料加热聚合物基体，来形成具有导热网络的复合材料，或是将几种导热膜层层复合，从而提高导热膜整体强度。

然而现有的制备方法还存在诸多缺点，如传统以聚酰亚胺薄膜或石墨烯/聚酰亚胺膜高温碳化、石墨化所制备的石墨传热膜，其导热能力很大程度上受到聚合物膜结晶性和结晶取向的规整度影响。而国内聚酰亚胺薄膜存在着产品质量差、综合性能不稳定、精细化程度不够等缺点，在石墨化过程中受热收缩不均，烧制的石墨膜质量差，热传导性能低，难以满足工业需求。其次，人造石墨导热膜虽然具有一定柔性，但不具有拉伸性，在弯折、扭曲后会留下折痕或发生断裂，导致其导热能力大幅下降，限制其在柔性或不规则表面的应用。

而现有导热性复合材料所使用的聚合物大部分是环氧树脂，在高温下无法使用。以多层复合形式制备的导热膜，层与层之间的界面热阻严重影响其纵向导热能力，且工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种具有高导热高热通量能力的石墨烯-聚酰亚胺碳化膜的制备方法，该方法制备的石墨烯-聚酰亚胺碳化膜具有柔韧性好、强度高、耐拉伸、可折叠的优点，也能适用于不规则表面。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高热通量石墨烯-聚酰亚胺碳化膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：