CN112778611B - 一种高导热高强度纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导热高强度纳米复合材料，其特征在于，其由如下原料组分经聚合、共混、出料、二次共混、拉丝制成，其按重量百分比计为：1)聚多巴胺修饰石墨烯复合材料0.1～1.0wt％，2)高密度聚乙烯99.0～99.9wt％。本发明还公开了其制备方法，通过原位自聚合法，在球状石墨烯中添加多巴胺进行原位自聚合；在高密度聚乙烯中添加聚多巴胺修饰石墨烯，进行填料与基体的二次共混和拉丝而得到，该方法使低填料量聚多巴胺修饰石墨烯均匀分散在基体中，以降低界面热阻，综合成本低。本发明提供的纳米复合材料导热及机械性能优异，可广泛应用于汽车、计算机、LED等的散热领域。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及一种高导热高强度纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展，电子器件对散热的要求越来越高，快速有效的热扩散成为材料开发中非常关键的技术。高聚物以其易制备、轻质、低成本使其成为理想的热管理材料。
高密度聚乙烯具有优良的力学性能、较好的电性能以及耐磨、耐油、耐溶剂、自润滑、耐腐蚀和良好的加工性能，产量约占全球塑料总产量的1/4，广泛应用于汽车、电子电器、机械、航空航天工业领域及日常生活中。但高密度聚乙烯本身的结构特点决定了其为热的不良导体，限制了其在导热材料领域中的应用，采用导热填料对高密度聚乙烯进行改性是提高高密度聚乙烯及其它高分子材料热导率的有效途径。石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料，具有层状的石墨层晶体结构，不仅具有优良的导电性、化学稳定性、较低的热膨胀系数，同时展现出优异的热导率，是一种优异的导热填料。
中国专利申请公开号为CN10675177A公开了一种尼龙6—石墨烯导热功能母粒及其制备方法，该方法没有经过填料功能化和二次共混并拉丝，直接将石墨烯和尼龙6进行熔融挤出，使得石墨烯在基体中分散不均匀，导热性能提升效果不明显，同时由于导热填料添加量较多，且石墨烯材料价格较高，造成材料整体成本较高。因此，研究一种低填料量、综合性能好、制备容易且成本低的新型导热高强度复合材料，具有较大的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种低填料量的高导热高强度纳米复合材料，通过对石墨烯进行功能化，增强填料与基体间的相互作用，以显著降低界面热阻，并采用二次共混-拉丝技术使复合材料获得更好的导热和力学取向，从而使得复合材料同时具备高导热性能和良好的力学性能；
本发明还提供一种制备上述高导热高强度纳米复合材料的方法，采用易得的组分、大幅降低复合材料的成本；其工艺合理、步骤紧凑、易于产业化。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高导热高强度纳米复合材料，其特征在于，其由如下原料组分经聚合、共混、出料、二次共混、拉丝制成，其按重量百分比计为：
1)聚多巴胺修饰石墨烯复合材料 0.1～1.0wt％
2)高密度聚乙烯 99.0～99.9wt％
所述的聚多巴胺修饰石墨烯是多巴胺在石墨烯表面进行自聚合后得到；所述的聚多巴胺单体为3-羟酪胺。
所述的高密度聚乙烯为纯高密度聚乙烯。
一种制备前述高导热高强度纳米复合材料的方法，其特征在于，采用原位自聚合和二次共混-拉丝技术，使低填料量的聚多巴胺修饰石墨烯均匀分散在基体中，以降低界面热阻，其包括如下步骤：
(1)制备聚多巴胺修饰石墨烯复合材料：通过原位自聚合法，在石墨烯中添加重量百分比为32wt％的多巴胺，进行多巴胺的原位自聚合，从而制备出聚多巴胺修饰石墨烯；
(2)熔融共混：在高密度聚乙烯中添加重量百分比为0.1～1.0wt％的聚多巴胺修饰石墨烯，在160～180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，出料后即得高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯共混物；
(3)制备聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料：通过二次共混- 拉丝法，将高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯共混物粉碎后进行填料与基体的二次共混和拉丝，通过和表面官能团之间的氢键作用，使聚多巴胺修饰石墨烯在集体中分散更加均匀，从而制备出低填料量聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料，即高导热高强度纳米复合材料。
所述的步骤(1)，具体包括如下步骤：
(1-1)制备聚多巴胺修饰石墨烯：以石墨烯与多巴胺为原料，通过原位自聚合法制备聚多巴胺修饰石墨烯：将0.39g石墨烯粉末分散于含有0.225g 缓冲溶液、19.5mL95vol％乙醇和186mL去离子水的混合溶液中，超声处理(200W,25℃)30分钟，使用4mol/L盐酸溶液将上述混合液PH调节至8.5，加入9.6g多巴胺，在60℃下搅拌反应4小时，在60℃下洗涤、干燥，即可制得聚多巴胺修饰石墨烯粉末。
所述的步骤(2)，具体包括如下步骤：
(2-1)制备共混物：将聚多巴胺修饰石墨烯和高密度聚乙烯混合，并在 160～180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，形成共混物。
所述的步骤(3)，具体包括如下步骤：
(3-1)制备二次共混物：将共混物在60℃下真空干燥3小时后，在 160～180℃下在微型双螺杆挤出机中进行共混并拉丝，形成二次共混物，即得聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的复合材料高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯及其制备方法，其导热填料含量低、大幅度降低，仅为；且采用原位自聚合法和二次共混-拉丝法制备的导热复合材料，聚合物基体和导热填料聚多巴胺修饰石墨烯之间的氢键结合非常紧密，可以有效降低“基体-填料”界面热阻，提高了复合材料导热率；而二次共混-拉丝技术的使用，可使填料更有效更均匀地分散在基体中，从而使高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料保持聚合物自身的良好力学性能。
(2)本发明所提供的高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯纳米复合材料，不仅具有优异的导热性能和力学性能，而且其材料成本低，制备工序少、工艺紧凑、成本低廉，可广泛应用于汽车、计算机、LED等的散热领域。
附图说明
图1为本发明实施例制备的高导热高强度的聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯纳米复合材料的SEM照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步地描述。
参见附图1，本发明提供的高导热高强度纳米复合材料，其由如下原料组分经聚合、共混、出料、二次共混、拉丝制成，其按重量百分比计为：
1)聚多巴胺修饰石墨烯复合材料 0.1～1.0wt％
2)高密度聚乙烯 99.0～99.9wt％
所述的聚多巴胺修饰石墨烯是多巴胺在石墨烯表面进行自聚合后得到；所述的聚多巴胺单体为3-羟酪胺。
所述的高密度聚乙烯为纯高密度聚乙烯。
一种制备前述高导热高强度纳米复合材料的方法，采用原位自聚合和二次共混-拉丝技术，使低填料量的聚多巴胺修饰石墨烯均匀分散在基体中，以降低界面热阻，其包括如下步骤：
(1)制备聚多巴胺修饰石墨烯复合材料：通过原位自聚合法，在石墨烯中添加重量百分比为32wt％的多巴胺，进行多巴胺的原位自聚合，从而制备出聚多巴胺修饰石墨烯；
其中的聚多巴胺修饰石墨烯是多巴胺在石墨烯表面进行自聚合后得到，该所述的聚多巴胺单体为3-羟酪胺；
其中的高密度聚乙烯为纯高密度聚乙烯；
(2)熔融共混：在高密度聚乙烯中添加重量百分比为0.1～1.0wt％的聚多巴胺修饰石墨烯，在160～180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，出料后即得高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯共混物；
(3)制备聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料：通过二次共混- 拉丝法，将高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯共混物粉碎后进行填料与基体的二次共混和拉丝，通过和表面官能团之间的氢键作用，使聚多巴胺修饰石墨烯在集体中分散更加均匀，从而制备出低填料量的聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料，即高导热高强度纳米复合材料。
具体的，本实施例中聚多巴胺修饰石墨烯的添加量为0.1wt％。
所述的步骤(1)，具体包括如下步骤：
(1-1)制备聚多巴胺修饰石墨烯：以石墨烯与多巴胺为原料，通过原位自聚合法制备了聚多巴胺修饰石墨烯：将0.39g石墨烯粉末分散于含有0.225g 缓冲溶液、19.5mL95vol％乙醇和186mL去离子水的混合溶液中，超声处理(200W,25℃)30分钟，使用4mol/L盐酸溶液将上述混合液PH调节至8.5，加入9.6g多巴胺，在60℃下搅拌反应4小时，在60℃下洗涤、干燥，即可制得聚多巴胺修饰石墨烯粉末；
所述的步骤(2)，具体包括如下步骤：
(2-1)制备共混物：将添加量为0.1wt％的聚多巴胺修饰石墨烯加入 99.9wt％的高密度聚乙烯混合，并在160～180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，形成共混物；
所述的步骤(3)，具体包括如下步骤：
(3-1)制备二次共混物：将共混物在60℃下真空干燥3小时后，在 160～180℃下在微型双螺杆挤出机中进行共混并拉丝，形成二次共混物，制得聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料，即高导热高强度纳米复合材料。
实施例2:
本发明实施例提供的高导热高强度纳米复合材料及其制备方法，基本上与实施例1相同，其不同之处在于：
聚多巴胺修饰石墨烯的制备：
以石墨烯为原料，通过原位自聚合法制备聚多巴胺修饰石墨烯：将3g 石墨烯粉末分散于含有0.225g缓冲溶液、100mL异丙醇和100mL去离子水的混合溶液中，超声处理(200W,25℃)30分钟，使用4mol/L盐酸溶液将上述混合液PH调节至8.5，加入9.6g多巴胺，在60℃下搅拌反应4小时，在60℃下洗涤、干燥，即可制得聚多巴胺修饰石墨烯粉末。
聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯纳米复合材料的制备：
将0.3wt％聚多巴胺修饰石墨烯加入99.7wt％的高密度聚乙烯，在 160～180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，形成共混物；将共混物在60℃真空干燥3小时后，在160～180℃下在微型双螺杆挤出机中进行二次共混并拉丝，形成二次共混物，即得聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料。
其他实施例的组分、配比及材料性能测试见下表：
表1：各实施例组分、配方与材料性能
表2为本发明复合材料(聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯，填充量为 1.0wt％)性能与基体(高密度聚乙烯)性能的比较，从该表中可以看出，本发明复合材料相比基体材料的导热、机械性能均具有显著的提升。
表2：本发明提供的复合材料性能与基体材料的性能的比较
参见附图1，本发明提供的聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料，其中的聚多巴胺修饰石墨烯材料(棒状)在高密度聚乙烯内呈立体分布，而且形成了相互交错、搭接的三维立体空间结构，因此，虽然降低了聚多巴胺修饰石墨烯的添加量，但是通过结构的改进，大幅提高了该材料的导热性能和机械强度。
本发明提供的复合材料由高密度聚乙烯基体和聚多巴胺修饰的石墨烯组成，通过原位自聚合法，在球状石墨烯(以下简称石墨烯)中添加重量百分比为32wt％的多巴胺，进行多巴胺的原位自聚合；在高密度聚乙烯中添加重量百分比为0.1～1.0wt％的聚多巴胺修饰石墨烯进行填料与基体的二次共混和拉丝，通过和表面官能团之间的氢键作用，将高密度聚乙烯键合到聚多巴胺修饰的石墨烯上，从而制备出低填料量聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料。
本发明提供的纳米复合材料导热性能优异，可广泛应用于汽车、计算机、 LED等的散热领域。本发明提供的制备前述高导热高强度纳米复合材料的方法，采用二次共混-拉丝技术，使低填料量聚多巴胺修饰石墨烯均匀分散在基体中，以降低界面热阻，其制备工艺合理，综合成本低，适用于工业生产。
本发明其他实施例中各组分及其具体配比，可以根据具体需要，在所记载的范围内选择，均可以达到所述的技术效果，本发明实施例不再一一列出。
本发明不限于上述实施方式，采用与本发明相同或相似组分、配比及方法所得的其它高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯纳米复合材料及其制备方法，均在本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种高导热高强度纳米复合材料，其特征在于，其由如下原料组分经聚合、共混、出料、二次共混、拉丝制成，其按重量百分比计为：
1）聚多巴胺修饰石墨烯复合材料 0.1~1.0 wt%
2）高密度聚乙烯 99.0~99.9 wt%；
所述的聚多巴胺修饰石墨烯是多巴胺在石墨烯表面进行自聚合后得到；该高导热高强度纳米复合材料为聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料，其中的聚多巴胺修饰棒状石墨烯材料，在高密度聚乙烯内呈立体分布，而且形成了相互交错、搭接的三维立体空间结构，大幅提高了该材料的导热性能和机械强度。
2.根据权利要求1所述的高导热高强度纳米复合材料，其特征在于，所述的聚多巴胺单体为3-羟酪胺。
3.根据权利要求1所述的高导热高强度纳米复合材料，其特征在于，所述的高密度聚乙烯为纯高密度聚乙烯。
4.一种制备权利要求1~ 3之一所述高导热高强度纳米复合材料的方法，其特征在于，采用原位自聚合和二次共混-拉丝技术，使低填料量的聚多巴胺修饰石墨烯均匀分散在基体中，以降低界面热阻，其包括如下步骤：
（1）制备聚多巴胺修饰石墨烯复合材料：通过原位自聚合法，在石墨烯中添加重量百分比为32 wt%的多巴胺，进行多巴胺的原位自聚合，从而制备出聚多巴胺修饰石墨烯；
（2）熔融共混：在高密度聚乙烯中添加重量百分比为0.1~1.0 wt%的聚多巴胺修饰石墨烯，在160~180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，出料后即得高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯共混物；
（3）制备聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料：通过二次共混-拉丝法，将高导热高强度聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯共混物粉碎后进行填料与基体的二次共混和拉丝，通过和表面官能团之间的氢键作用，使聚多巴胺修饰石墨烯在集体中分散更加均匀，从而制备出低填料量聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料，即高导热高强度纳米复合材料。
5.根据权利要求4所述高导热高强度纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1），具体包括如下步骤：
（1-1）制备聚多巴胺修饰石墨烯：以石墨烯与多巴胺为原料，通过原位自聚合法制备聚多巴胺修饰石墨烯：将0.39g石墨烯粉末分散于含有0.225g缓冲溶液、19.5 mL 95 vol%乙醇和186 mL 去离子水的混合溶液中，在200W、25℃下超声处理30分钟，使用4mol/L盐酸溶液将上述混合液PH调节至8.5，加入9.6g多巴胺，在60℃下搅拌反应4小时，在60℃下洗涤、干燥，即可制得聚多巴胺修饰石墨烯粉末。
6.根据权利要求4所述高导热高强度纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2），具体包括如下步骤：
（2-1）制备共混物：将聚多巴胺修饰石墨烯和高密度聚乙烯混合，并在160~180℃的转矩流变仪中熔融共混，密炼复合4小时，形成共混物。
7.根据权利要求4所述高导热高强度纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3），具体包括如下步骤：
（3-1）制备二次共混物：将共混物在60℃下真空干燥3小时后，在160~180℃下在微型双螺杆挤出机中进行共混并拉丝，形成二次共混物，即得聚多巴胺修饰石墨烯/高密度聚乙烯复合材料。
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