一种利用丝网制备厚石墨烯散热膜的方法与流程

本发明涉及石墨烯制膜技术领域，具体公开了一种利用丝网制备厚石墨烯散热膜的方法。

背景技术：

随着智能电子设备如智能手机、便携式笔记本电脑、智能vr穿戴设备不断推陈出新，功能多样化的同时伴随着高功率的持续增加。从而电子设备在运行时，产生并积累大量的热，消费者的直观感受则是运行速度变慢和发热，带来了极不舒适的体验感。传统的散热膜材料如人工合成石墨膜，厚度主要为17μm、25μm、32μm，其厚度受限，传递的热量受限，已经很难满足高功率散热的要求。

近年来墨烯的发现，其单层热导率高达5300w/mk，它具有优异的柔性，且质量轻等诸多优势，引起了业界的极大关注。石墨烯的衍生物氧化石墨烯极易溶于水、易成膜且在还原时不产生有害气体或污染废弃物，使其在高导热膜产业化上得到了广泛应用。

早先，石墨烯散热膜多采用浆料涂布工艺生产，受涂布工艺的限制，所制成石墨烯散热膜厚度有限，这就限制了石墨烯散热膜的散热效果。近年来，逐渐出现了基于多次涂布的加厚石墨烯散热膜的制备工艺，但这样的工艺给每次涂布间的收卷工序带来了极大的操作复杂性，造成了厚石墨烯散热膜制备的整体工艺复杂度大大增加。

因此，亟需开发一种方法来制备厚石墨烯散热膜，降低其整体的工艺复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制利用丝网制备厚石墨烯散热膜的方法，该方法制备工艺简单、效率高、易操作，在满足高功率散热的要求的同时，解决了制备厚石墨烯膜工艺复杂度高、难度大的问题。

本发明中的一种利用丝网制备厚石墨烯散热膜的方法，主要包括：

(1)利用极性溶剂对氧化石墨行分散，得到均匀的氧化石墨烯浆料；

(2)将(1)中的氧化石墨烯浆料液抽真空脱泡处理至气泡每平米不得多于100个，气泡直径不大于0.5mm；

(3)将(2)获得的氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中，以所述丝网网框中的丝网作为涂布基底，采用刮刀进行涂布；通过调节刮刀的高度来控制氧化石墨烯膜的厚度，所述氧化石墨烯膜的厚度为0.2～50mm；

(4)对(3)中得到的装有氧化石墨烯膜的丝网网框进行烘干；

(5)将(4)中得到的氧化石墨烯膜从丝网网框中剥离出来；并对该氧化石墨烯膜依次进行碳化、石墨化和延压得到厚石墨烯散热膜。

进一步的，步骤(1)中，分散所述氧化石墨的极性溶剂为乙醇、水、氮甲基吡咯烷酮(nmp)与二甲基甲酰胺(dmf)中的一种，或者为上述物质中任两种的混合物。

进一步的，所述极性溶剂采用水与乙醇按9:1～4:1的体积比例混合。

进一步的，所述氧化石墨烯浆料中的氧化石墨烯所占的质量分数为3～7％。

进一步的，步骤(2)中，真空脱泡的的真空度为-1～-0.8bar，处理时间为10～60min。

进一步的，步骤(3)中，所述丝网的材质采用尼龙布、无纺布或不锈钢中的一种，目数为200～1000目。

进一步的，步骤(3)中，所述刮刀采用平口或者斜口，刮刀涂布时与丝网平面所成角度为30～90°。

进一步的，步骤(3)中，所述刮刀的涂布速度为2～10m/min。

进一步的，步骤(3)中，涂布氧化石墨烯膜的厚度为0.5～40mm。

进一步的，步骤(4)中，涂布完成的氧化石墨烯膜上加用于平压该氧化石墨烯膜的重物，且该重物覆盖全部涂布有氧化石墨烯膜的部分。

进一步的，所述重物为一个均匀的平板、带网孔的平板或者另一丝网网框。

进一步的，步骤(4)中，装有氧化石墨膜的丝网网框放入真空烘箱或鼓风烘箱中，以2℃/min的升温速率从室温升到80～200℃进行烘干，烘干时间为8～48h。

进一步的，步骤(5)中，所述氧化石墨烯膜碳化氛围是真空或者惰性气体(氮气或者氩气)，以3℃/min的升温速率到350～1300℃；

进一步的，步骤(5)中的石墨化以2.5℃/min的升温速率升温到2500～3000℃，时间为5～20h。

进一步的，步骤(7)中，将石墨化后得到的石墨烯膜通过辊压或平压于离型膜上获得厚石墨烯散热膜，压力为0.5-20mpa。

本发明还提供了一种厚石墨烯散热膜，所述厚石墨烯散热膜由前述的方法制得。

进一步的，所述厚石墨烯散热膜的厚度为60～500μm，密度为1.8～2.2g/cm³，热导率为800～1500w/mk，力学拉伸强度为20～100mpa。

本发明的设计思想是：

本发明提供了一种快速、高效制备厚石墨烯散热膜的方法，首先将氧化石墨分散于极性溶剂中得到均匀的氧化石墨烯浆料并进行真空处理排出气泡；利用刮刀将氧化石墨烯浆料涂布于丝网网框中的丝网表面以获得厚氧化石墨烯膜；将制备好的厚氧化石墨烯膜放入真空干燥箱或鼓风烘箱中干燥排出溶剂，随后进行碳化和石墨化处理；最后通过压延得到厚石墨烯散热膜。在本发明的一些实施例中，还可于干燥时在厚氧化石墨烯膜上平压重物，加速溶剂从厚氧化石墨烯膜中的排出。

本发明的优点及有益效果是：

本发明一面利用了丝网表面且具有大量孔隙进而摩擦力大，利于氧化石墨烯浆料附着的特点，在进一步利用刮刀涂布时可以一次成型出厚的氧化石墨烯膜，而在进一步的干燥工序中，这些孔隙还具有便于分散剂从氧化石墨烯膜排出的特点，另一面，丝网网框的外框部也保证刮刀涂布后的厚度较高的氧化石墨烯膜被限制住进而不会四处流散。

本发明工艺简单，容易批量化生产。本发明利用丝网网框直接一次成型出高导热的厚石墨烯散热膜，可以满足不同场景下的快速散热应用，克服了传统多次涂布带来的能耗高、时间长等缺点。

附图说明

图1为本发明实施例7中的用于制备厚石墨烯散热膜的丝网网框及上部丝网网框的剖视图。

说明书附图中的附图标记：丝网网框1、上部丝网网框2。

具体实施方式

在本发明中利用丝网制备高导热厚石墨烯散热膜的方法，具体过程如下：

(1)利用极性溶剂将氧化石墨分散得到均匀的氧化石墨烯浆料，氧化石墨烯质量分数为3～7％，并进行真空处理，排出气泡，真空度为-1.0～-0.8bar，时间为10～60min。

(2)将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中，并用刮刀进行涂布，刮刀采用平口或者斜口，刮刀的角度为30～90℃，刮刀的涂布速度为2～10m/min；通过调节刮刀与底膜的高度来控制涂布的厚度。

(3)将丝网网框置于真空干燥箱或鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出溶剂；随后再经碳化、石墨化及辊压或平压，得到厚石墨散热烯膜。烘箱烘干温度为80～200℃，碳化温度350～1300℃，石墨化炉温度为2500～3000℃，压力为0.5～20mpa。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。

实施例1

本实施例中，利用丝网制备厚石墨烯散热膜的方法如下：

将氧化石墨分散于去离子水与无水乙醇的溶液中，两者比例为9:1或4:1，并进行真空处理，时间为20min，真空度为-1bar，排出气泡，得到均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为3％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用1000目尼龙布做基底，网框的尺寸为300×400mm；刮刀采用平口，刀口材质是聚氨酯，刮刀的刮涂角度为60℃，刮刀的涂布速度为2m/min；涂布厚度为40mm；将丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，网框上部不加任何重物，烘箱温度80℃，烘干时间为24h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到500℃，升温速率为3℃/min，碳化时间10h；然后再进行石墨化处理，温度设定为2700℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间20h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行辊压，压力为10mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为1100w/mk，密度为2.1g/cm³，厚度为210μm，力学拉伸强度为30mpa。

实施例2

本实施例中，利用丝网印刷制备厚石墨烯散热膜的方法如下：

将氧化石墨分散于nmp中，并进行真空处理，时间为50min，真空度为-0.8bar，排出气泡，获得均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为7％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用1000目尼龙布做基底，网框的尺寸为200×300mm；刮刀采用平口，刀口材质是聚氨酯，刮刀的刮涂角度为60℃，刮刀的涂布速度为2m/min；涂布厚度为30mm；将丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，网框上部不加任何重物，烘箱温度200℃，烘干时间为16h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到1300℃，升温速率为3℃/min，碳化时间8h；然后再进行石墨化处理，温度设定为3000℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间10h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行辊压，压力为10mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为900w/mk，密度为2g/cm³，厚度为300μm，力学拉伸强度为25mpa。

实施例3

本实施例中，利用丝网印刷制备厚石墨烯散热膜的方法如下：

将氧化石墨分散于去离子水中，并进行真空处理，时间为60min，真空度为-1bar，排出气泡，获得均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为4％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用800目尼龙布做基底，网框的尺寸为300×500mm；刮刀采用斜口，刀口材质是不锈钢，刮刀的刮涂角度为45℃，刮刀的涂布速度为5m/min；涂布厚度为50mm；将丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，网框上部不加任何重物，烘箱温度100℃，烘干时间为48h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到800℃，升温速率为3℃/min，碳化时间12h；然后再进行石墨化处理，温度设定为2500℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间20h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行辊压，压力为5mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为800w/mk，密度为1.9g/cm³，厚度为500μm，力学拉伸强度为35mpa。

实施例4

本实施例中，利用丝网印刷制备厚石墨烯散热膜的方法如下：

将氧化石墨分散于dmf溶剂中，并进行真空处理，时间为30min，真空度为-1bar，排出气泡，得到均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为5％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用1000不锈钢网做基底，网框的尺寸为300×500mm；刮刀采用斜口，刀口材质是聚氨酯，刮刀的刮涂角度为60℃，刮刀的涂布速度为2m/min；涂布厚度为45mm；将丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，网框上部不加任何重物，烘箱温度150℃，烘干时间为30h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到1300℃，升温速率为3℃/min，碳化时间8h；然后再进行石墨化处理，温度设定为2800℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间12h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行辊压，压力为20mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为900w/mk，密度为2.2g/cm³，厚度为400μm，力学拉伸强度为25mpa。

实施例5

本实施例中，利用丝网印刷制备厚石墨烯散热膜的方法如下：

将氧化石墨分散于去离子水中，并进行真空处理，时间为60min，真空度为-0.8bar，排出气泡，获得均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为6％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用400目无纺布做基底，网框的尺寸为300×500mm；刮刀采用斜口，刀口材质是聚苯乙烯，刮刀的刮涂角度为45℃，刮刀的涂布速度为3m/min；涂布厚度为0.5mm；将丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，网框上部不加任何重物，烘箱温度120℃，烘干时间为8h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到1000℃，升温速率为3℃/min，碳化时间3h；然后再进行石墨化处理，温度设定为2900℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间6h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行辊压，压力为8mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为1500w/mk，密度为1.8g/cm³，厚度为60μm，力学拉伸强度为20mpa。

实施例6

本实施例中，利用丝网印刷制备厚石墨烯散热膜的方法如下：

将氧化石墨分散于去离子水中，并进行真空处理，时间为40min，真空度为-0.8bar，排出气泡，获得均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为5％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用800目尼龙布做基底，网框的尺寸为300×400mm；刮刀采用斜口，刀口材质是不锈钢，刮刀的刮涂角度为60℃，刮刀的涂布速度为5m/min；涂布厚度为20mm；将丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，网框上部加5kg重物用于加速水分的排出，重物为一平板，其外轮廓与丝网网框的内轮廓配合，平板的外轮廓与丝网网框的内轮廓间的间歇为0.5～5mm，该平板的材质可选金属、硬质塑料或电木，烘箱温度150℃，烘干时间为10h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到1300℃，升温速率3℃/min，碳化时间7h；然后再进行石墨化处理，温度设定为2800℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间12h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行平压，压力为20mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为1000w/mk，密度为1.8g/cm³，厚度为350μm，力学拉伸强度为20mpa。

实施例7

本实施例中，利用丝网印刷制备厚石墨烯散热膜的的方法如下：

将氧化石墨分散于去离子水中，并进行真空处理，时间为60min，真空度为-1bar，排出气泡，获得均匀的氧化石墨烯浆料，浆料中氧化石墨烯的质量分数为5％。

将氧化石墨烯浆料倒入丝网网框中进行涂布，丝网网框使用800目无纺布做基底，网框的尺寸为300×500mm；刮刀采用斜口，刀口材质是聚苯乙烯，刮刀的刮涂角度为45℃，刮刀的涂布速度为3m/min；涂布厚度为20mm，在氧化石墨烯膜上加载一个上部丝网网框，如图1所示，该上部丝网网框2的外壁与丝网网框1的内壁滑动配合，上部丝网网框2沿图中箭头方向下移直至其底面丝网压在氧化石墨烯膜的表面上；将上有上部丝网网框的丝网网框置于鼓风烘箱对氧化石墨烯膜进行烘干，排出水分，上部丝网网框内不加任何重物，烘箱温度120℃，烘干时间为8h,随后将氧化石墨烯膜剥离出来。

将氧化石墨烯膜放入真空炉进行碳化处理，温度是室温升到1300℃，升温速率为3℃/min，碳化时间3h；然后再进行石墨化处理，温度设定为2800℃，升温速率为2℃/min，石墨化时间10h；将得到的石墨化后的石墨烯膜进行辊压，压力为8mpa。最后得到的厚石墨烯散热膜的热导率为1100w/mk，密度为1.8g/cm³，厚度为120μm，力学拉伸强度为30mpa。

本发明的实施例1-7中，用丝网印刷法一步涂布达到所需要的厚度；相比于其他多次涂布的方法制备厚石墨烯散热膜，本发明操作更简单，耗能少，易批量化生产。本发明可以直接制备出厚石墨烯膜，密度为1.5～2.2g/cm³、热导率为800～1500w/mk。与传统的人工合成石墨膜相比，该方法可以快速制备出厚石墨烯散热膜，可用作5g电子产品和高功率电子器件上。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除