[发明专利]一种制备炭纤维与石墨烯复合纸的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种制备复合纸的方法，具体地说涉及一种制备炭纤维与石墨烯复合纸的方法。

背景技术

作为由碳原子sp²键合而成的单原子厚度二维晶体，石墨烯具有优异的力、热、光、电性能，已在科研与产业界引起广泛关注(Yiqing Sun,Gaoquan Shi.Graphene/polymer composites for energy applications石墨烯/高分子复合材料在能源中的应用[J].Journal of Polymer Science,Part B:Polymer Physics,2013,51,231-253.)。石墨烯的理论导热系数高达5300W/m·K，远高于银（429W/m·K）、铜（401W/m·K）、金（317W/m·K）、铝（237W/m·K）等金属和碳纳米管（3000W/m·K）的导热系数。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的热界面材料以及大功率电子元器件的导热散热材料而得到广泛应用(Alexander A.Balandin.Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials石墨烯及纳米结构炭材料的热性能[J].Nature Materials,2011,10,569-581.)。

目前现有技术基于碳材料优异的导热性能可制备得到天然石墨纸、人工合成石墨纸及石墨烯纸等导热纸。上述石墨或石墨烯导热纸充分发挥了基体材料特殊的层片状结构优势，在层片方向均匀散热的同时也在厚度方向提供热隔离，成为热量管理解决方案的理想材料选择(Eric Pop,Vikas Varshney,and Ajit K.Roy.Thermal properties of graphene:fundamentals and applications石墨烯的热性能：基础与应用[J].Mrs Bulletin,2012,37,1273-1281.)。而上述导热产品仍存在一定缺陷，天然石墨纸的厚度较大，多在100μm以上，在一定程度上限制了其在微型电子器件中的应用；人工合成石墨纸的制备需要在极高温度环境下进行，条件要求苛刻，经济成本高，不利于进一步推广应用；石墨烯纸的机械强度差，弯折寿命低，使用过程中存在掉渣问题，无法满足热界面材料应用中对韧性及洁净度的要求(Sung Ho Song,Kwang Hyun Park,Bo Hyun Kim,et al.Enhanced thermal conductivity of epoxy–graphene composites by using non-oxidized graphene flakes with non-covalent functionalization基于非氧化石墨烯与非共价官能团化的环氧树脂-石墨烯复合物导热性能的改善[J].Advanced Materials,2013,25,732-737.)。

发明内容

本发明的目的在于克服已有炭基导热材料的缺点和不足，提供一种高导热、高导电、力学性能好、易于实现批量化生产的炭纤维与石墨烯复合纸的制备方法。

本发明的制备方法，包括以下步骤：

（1）炭纤维前驱体基体的制备与选择：炭纤维前驱体基体包括炭纤维纸、炭纤维布、炭纤维毡，炭纤维无纺布；或以长度为0.1-20mm的炭纤维作为骨架基体，与粘结剂和去离子水混合配成悬浮液，炭纤维与粘结剂的质量比为0.05-10g:0.05-10g，炭纤维与粘结剂质量之和与去离子水的比例为0.1-20g:1000-8000g，再经湿法抄造，制备的炭纤维前驱体基体；

（2）将氧化石墨在去离子水中超声处理，超声时间为5-100min，超声功率为50-300W，得到浓度为0.1-10mg/mL的氧化石墨烯溶液，按氧化石墨烯与炭纤维前驱体基体的质量比为0.01-100:1，将氧化石墨烯溶液与炭纤维前驱体基体进行沉积复合，得到炭纤维与氧化石墨烯复合纸；

（3）将炭纤维与氧化石墨烯复合纸在300-3000℃温度，保护气氛或真空保护条件下高温处理0.1-10h，得到炭纤维与石墨烯复合纸。

所述的炭纤维是沥青基炭纤维、粘胶基炭纤维、聚丙烯腈基炭纤维、活性炭纤维、石墨纤维中的一种或几种。

所述的粘结剂是聚乙烯醇、水溶性酚醛树脂、纸浆、木浆、聚酰亚胺或聚氨酯。

所述的氧化石墨可以是由Hummers法、Brodie法、Staudenmaier法或电化学氧化法制备的。