柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]碳素材料因其超强的物理性、耐热性和耐化学性、导电性，在工业材料中仅次于金属、玻璃、陶瓷，占据着重要地位。作为电极材料、散热材料、耐热贴纸，高电气传导材料等广泛应用。尽管它还有其它超好物性，由于得不到活用而受到冷落，直到1985年，60个碳素原子呈足球型灯笼状的结晶富勒烯，1991年管状的只有单层六角形网眼状碳素原子的结晶纳米管，2003年非管状的只有单层六角形网眼状结晶平面状存在的单层石墨烯的制造方法的发现，碳素材料重新受到世人的瞩目，现在，面向电子材料和半导体材料的研究相当盛行，这些六角形网眼状构造的碳素原子的层状结晶体就是天然石墨。以往，层组状的结晶性石墨只能通过将碳化氢气体堆积使其生长，这种方式需要20个工作日以上的热处理，因其刚直、加工性差、不能弯曲，所以只作航天飞机上的绝热瓷砖等用，用途非常有限。
[0003]进入到20世纪90年代，以民生器械为中心，随着由模拟向数码化潮流的加速，要求电子产品、医疗器械和半导体元件的CPU的进一步普及，医疗器械、半导体照明、CPU芯片的放热成为很大的问题。伴随着CPU芯片的高集聚化，线路配线宽度变窄，由于焦耳发热量增加，产生高温，这样一来就会引起半导体性能低下，电池寿命缩短，怎样使热散发出来成为左右机械性能的重要因素。这就需要寻找具有高热传导性、轻加工性优良的材料。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜制备方法，包括以下步骤:
[0007]S1、将多层聚酰亚胺薄膜层叠；
[0008]S2、在对层叠的聚酰亚胺薄膜施压按合的同时进行热处理，热处理的温度低于热塑性聚酰亚胺薄膜开始热分解的温度，使得层叠的聚酰亚胺薄膜结合在一起形成为碳素石墨稀薄膜；
[0009]S3、将得到的碳素石墨烯薄膜升温到聚酰亚胺薄膜开始热分解温度以上进行热处理和碳化处理，从而得到碳化的多功能膜，并根据要求进行石墨化处理。
[0010]进一步地:
[0011 ]步骤S2中，使用辊轮热压机对层叠的聚酰亚胺薄膜进行热压按合。
[0012]所述聚酰亚胺薄膜的热分解开始温度约为500°C，步骤S2中，在50kg/cm2的压力下以lm/min的速度从1 °C升温到500 °C。
[0013]所述聚酰亚胺薄膜的厚度为50μπι，玻璃化温度为400°C，热分解开始温度约为500Γ。
[0014]步骤S3中，以lm/min的速度从500°C升温到1000°C-1500°C，在75kg/cm2压力下对所述碳素石墨烯薄膜进行碳化处理，优选是在非氧化性环境中升温。
[0015]步骤S3中，将所述碳素石墨烯薄膜装入加温炉上，填充黑铅碎粉进行密封并加温加压处理。
[0016]步骤S3中，所述石墨化处理包括在石墨化炉中以0.5m/min的线压力在100kg/cm2的压力下从1500 0C升温到2000 0C对多功能膜进行石墨化处理，得到的玻璃化碳膜。
[0017]步骤S3中，将玻璃化碳膜进一步在石墨化炉中进行升温，从2000°C升温到2800°C，以0.4m/min的线压力在120kg/cm2压力下进行石墨化处理，得到石墨化多功能膜。
[0018]步骤S3中，将石墨化多功能膜进一步在石墨化炉中进行升温，从2800°C升温加热到3200°C，以0.4m/min的线压力在150kg/cm2的压力下进行石墨化处理，得到玻璃状碳素多功能膜石墨稀膜。
[0019]一种柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜，是前述任一种石墨烯薄膜制备方法制备的多功能石墨烯薄膜。
[0020]本发明的有益效果:
[0021]本发明提供一种聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜及其制备方法，通过对芳香族聚酰亚胺薄膜进行烧结法碳化及黑铅化，形成柔性、多功能石墨烯薄膜。制备得到的石墨烯薄膜有着超高的导热性，ab方向的热传导系数达到1500w/m.K，C轴方向达到5w/m.k，有优良的柔软性及耐弯曲性，R = 2mm 280°C I万次以上，具备各向异性及良好的电界屏蔽效果和磁界屏蔽效果。
[0022]本发明实施例中，对柔性聚酰亚胺薄膜通过特殊烧结法，先以低于热塑性聚酰亚胺薄膜开始热分解的温度的温度条件，在对聚酰亚胺薄膜施压按合的同时进行热处理，形成为碳素石墨烯薄膜，再进一步以高于热塑性聚酰亚胺薄膜开始热分解的温度的温度条件进行热处理和碳化处理，从而得到碳化的多功能膜，并根据产品要求进行石墨化处理，得到多功能石墨烯薄膜。制备过程中，将芳香族聚酰亚胺薄膜非晶质的可塑性、耐热性薄膜进行碳化、石墨化，形成固态碳素化，可以省掉以往碳素材料加工的繁杂工序，获得卷状可挠性、超导热性、放热线、各向异性、屏蔽效果功能。良品率高、简便、能工业化生产、并且能卷状成型的多层多功能石墨烯薄膜。
[0023]通过将柔性聚酰亚胺薄膜以上述高分子烧结法制造出的多功能石墨烯薄膜，可在航空、航天、X线分光器、中性子线分光器、中性子线过滤器、放射线光学元件等高科技领域得到广泛应用。
【具体实施方式】
[0024]以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0025]在一种实施例中，一种柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜制备方法，包括以下步骤:
[0026]S1、将多层聚酰亚胺薄膜层叠；
[0027]S2、在对层叠的聚酰亚胺薄膜施压按合的同时进行热处理，热处理的温度低于热塑性聚酰亚胺薄膜开始热分解的温度，使得层叠的聚酰亚胺薄膜结合在一起形成为碳素石墨烯薄膜；
[0028]S3、将得到的碳素石墨烯薄膜升温到聚酰亚胺薄膜开始热分解温度以上进行热处理和碳化处理，从而得到碳化的多功能膜，并根据要求进行石墨化处理。优选地，步骤S3是在非氧化性环境中升温处理。
[0029]在优选的实施例中，步骤S2中，使用辊轮热压机对层叠的聚酰亚胺薄膜进行热压按合。
[0030]在优选的实施例中，所述聚酰亚胺薄膜的热分解开始温度约为500°C，步骤S2中，在50kg/cm2的压力下以lm/min的速度从10°C升温到500°C。
[0031]在优选的实施例中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为50μπι，玻璃化温度为400°C，热分解开始温度约为500°C。
[0032]在优选的实施例中，步骤S3中，以lm/min的速度从500°C升温到1000°C-1500°C，在75kg/cm2压力下对所述碳素石墨烯薄膜进行碳化处理。
[0033]在更优选的实施例中，步骤S3中，将所述碳素石墨烯薄膜装入加温炉上，填充黑铅碎粉进行密封并加温加压处理。
[0034]在优选的实施例中，步骤S3中，所述石墨化处理包括在石墨化炉中以0.5m/min的线压力在lOOkg/cm2的压力下从1500°C升温到2000°C对多功能膜进行石墨化处理，得到的玻璃化碳膜。
[0035]在更优选的实施例中，步骤S3中，将玻璃化碳膜进一步在石墨化炉中进行升温，从2000°C升温到2800°C，以0.4m/min的线压力在120kg/cm2压力下进行石墨化处理，得到石墨化多功能膜。
[0036]在进一步优选的实施例中，步骤S3中，将石墨化多功能膜进一步在石墨化炉中进行升温，从2800°C升温加热到3200°C，以0.4m/min的线压力在150kg/cm2的压力下进行石墨化处理，得到玻璃状碳素多功能膜石墨烯膜。
[0037]在另一种实施例中，一种柔性聚酰亚胺制备的石墨烯薄膜，是由前述任一实施例的石墨烯薄膜制备方法制备的多功能石墨烯薄膜。
[0038]根据本发明的实施例，是先在聚酰亚胺薄膜开始热分解的温度之下处理得到多功能体，再升温到开始热分解的温度以上进行热处理，得到碳化的多功能膜，最终制品碳素质物质的组成可以根据不同要求自由变化。通过升温到热分解温度以上，酰亚胺接合的开裂，使一氧化碳、二氧化碳、氢、氮等各种气体进行游离，芳香族环进行缩合多环化，形成碳素前躯体构造，从而根据这些气体的游离状态达到某种程度的异种原子残存状态，变成碳化后的玻璃状碳素状态，进而通过控制，达到石墨化结晶构造状态的形成，得到多功能体碳素石墨烯薄膜。根据处理条件，可以选择制造不同碳化品、