[发明专利]一种高导热石墨烯基水凝胶的制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种高导热石墨烯基水凝胶的制备方法，通过超声技术，将特定组成的石墨烯分散液与凝胶基质溶液均匀混合，热交联及冷冻‑解冻制备高导热石墨烯基水凝胶，该水凝胶的导热系数最高可达1.732 W·m^‑1·K^‑1，拉伸强度为243 KPa，电导率为0.3256 S/m。该水凝胶产品制备工艺简单、条件温和、产品性能优良。本产品可作为热界面材料和柔性电子材料用于电子皮肤、传感器、超级电容器、集成电路散热片等高端领域。

技术领域

本发明涉及功能水凝胶的清洁制备领域，具体涉及一种高导热、综合性能优良的石墨烯基水凝胶的制备方法及用途。

背景技术

随着现代高科技及工业的发展进步，微电子器件小型化和集成化成为新常态，大多数基于半导体和物联网的产品设计的功耗不断增加，导致热管理成为微电子行业面临最重要问题之一，必须具备恰当高效的热管理装备与措施，才能保证电子设备的进一步升级和多功能化的实现。

目前电子器件的热管理主要有两种形式，即主动式热管理和被动式热管理。对于这两种管理方式的选择依据主要是使设备在操作系统中获得最佳能效。主动式热管理通常使用的是从外部产生能量的技术设备，如风扇、液体冷却器和热电冷却器(TEC)，以增强系统中的热传递，这类管理方式一般用于大型设备中；被动热管理包括微型设备中的小组件与冷却系统的相互作用，适用于成本低，易操作的小型设备中，其中包括散热器，热界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)等。

TIMs作为热源与散热器之间的导热体，只有使用导热系数高的热界面材料才能实现热源的有效散热。目前使用的各类热管理材料的性能分析列于下表1中。

表1目前使用的各种热界面材料的性能分析

随着柔性和可穿戴电子产品的开发及应用普及，对TIMs材料提出新的技术要求：一：高粘结性和贴合性，尽可能填充表面缝隙，降低空气热阻，提高散热效率；二：低杨氏模量，具有一定的可拉伸和可压缩性；三：对长时间使用导致的热疲劳和机械疲劳，具有良好的自恢复性。

水凝胶是天然或合成高分子原料，经物理交联或化学交联形成的三维网状结构材料。其内部含有大量的游离水分子，成为制备新型TIMs材料的研究热点，而且当引入不同的凝胶基质及添加剂后，其功能也会发生明显的改变。

石墨烯作为一种具有完美二维蜂窝状结构的碳材料，其导热系数高达5.3×10³W·m^-1·K^-1，将其作为水凝胶的填充基质制备石墨烯基导热水凝胶，在兼具水凝胶优良性能的同时，提高材料的导热性、机械强度等，从而获得新的石墨烯基水凝胶TIMs。

Chen Ying等以丙氨酸为改性剂，将原料六方氮化硼和改性剂进行球磨后，加入盐酸溶液调pH至中性，抽滤洗涤干燥得到改性氮化硼；将改性氮化硼与聚乙烯醇 (PVA)加入蒸馏水混合均匀，98℃下搅拌2h，充分溶解后进行超声除气泡，再滴加硼砂溶液后继续超声35min，将所得溶液放入模具压制2h后获得PVA导热水凝胶，其导热系数达到0.7442W·m^-1·K^-1，比纯PVA水凝胶提高38.4％。(陈莹,吉海峰,张效洁,瞿雄伟.(2020).丙氨酸改性氮化硼在PVA导热水凝胶中的应用.化工中间体,000(003),128- 130)

李静等采用两步法制备了石墨烯/正十八烷复合相变材料，首先以氧化石墨烯为原料， NaHSO₃为还原剂，95℃水浴反应5h，GO被还原自组装成水凝胶，然后进行冷冻干燥处理得到石墨烯气凝胶；然后将气凝胶投入正十八烷溶液中，直至完全吸收，得到复合相变材料，经过测试导热系数最高0.719W·m^-1·K^-1。(李静,李绍伟,蔡迪,廖燕宁.石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性研究.物理学报,70(4),9)