| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202210402637.8 | 申请日 | 2022-04-18 |
| 公开(公告)号 | CN114753060A | 公开(公告)日 | 2022-07-15 |
| 申请人 | 江苏大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 王匀; 张学超; 李瑞涛; 刘为力; 于超; 许桢英; 周泓; 丁旭; 林欣; 杨志涛; | 第一发明人 | 王匀 |
| 权利人 | 江苏大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 江苏大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省镇江市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省镇江市京口区学府路301号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：212013 |
| 主IPC国际分类 | D04H1/558 | 所有IPC国际分类 | D04H1/558 ; D04H1/4374 ; D01D5/28 |
| 专利引用数量 | 19 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 专利代理人 | ||
| 摘要 | 本 发明 公开导热 复合材料 制备领域中一种定向互联高导热复合 薄膜 的制备与 热压 一体化装置及方法，两个同心 喷嘴 喷出方向上的溶液在空间形成 纤维 成形通道，纤维成形通道的一侧设置容器，另一侧设置加热板，容器内部有隔板将容器分割为两个 真空 室，隔板在朝向纤维成形通道侧面上设有若干个圆柱状凸起，对面是可移动的收集板，收集板上开有通孔，圆柱状凸起能伸入并穿过通孔，加热板向远离和靠近收集板方向来回移动，第一真空室分别连接第二抽 风 机和第二气 泵 ，第二真空室经第一抽风机连接冷凝回收箱；能实现氮化 硼 纳米片沿纤维轴向选择性分布和热压后复合薄膜在面内形成定向互联结构，获得较低的界面热阻，可以在低填充量下就能获得优异的导热性能。 | ||
| 权利要求 | 1.一种定向互联高导热复合薄膜的制备与热压一体化装置，具有高压储气罐(7)，其特征是：高压储气罐(7)的输出端分别连接两个注射器(5、10)，每个注射器的输出端同轴心地连接一个同心喷嘴(12)，第一注射器(5)内部储有纳米片分散液，第二注射器(10)内部储有聚合物溶液，两个同心喷嘴(12)喷出方向上的溶液在空间形成纤维成形通道，纤维成形通道的一侧设置容器(16)，另一侧设置加热板(3)，容器(16)内部有隔板(22)将容器(16)分割为第一真空室(18)和第二真空室(23)，第二真空室(23)靠近纤维成形通道这一侧，隔板(22)在朝向纤维成形通道侧面上设有若干个圆柱状凸起(29)，若干个圆柱状凸起(29)的对面是可移动的收集板(25)且收集板(25)作为容器(16)最靠近纤维成形通道的侧壁，收集板(25)由连接在容器(16)内侧壁上的水平移动工作台(24)上带动朝靠近和远离纤维成形通道的方向来回移动；收集板(25)开有与圆柱状凸起(29)数量相同的贯穿的通孔，圆柱状凸起(29)能伸入并穿过通孔；液压系统模块(1)带动加热板(3)向远离和靠近收集板(25)方向来回移动；第一真空室(18)分别连接第二抽风机(21)和第二气泵(20)，第二真空室(23)经第一抽风机15连接冷凝回收箱(14)。 |
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| 说明书全文 | 定向互联高导热复合薄膜的制备与热压一体化装置及方法技术领域背景技术[0002] 现代电子设备向小型化、集成化和高功率密度方向发展，使用过程中会产生大量的热量，热量的积累会对电子器件性能、寿命和可靠性产生负面影响。聚合物膜材料具有良好的加工性、电绝缘性和柔韧性，但是其低热导率阻碍了在热管理领域的使用。因此通常在聚合物膜中引入高填充量的具有高导热率的填料来改善其导热性能，但是这对复合材料的加工性能、柔韧性能和电学性能产生了很大的负面影响。填料和填料、填料和基体之间存在较高的界面热阻，热导率提升不高，以及如何在相对较小的填料负载下实现高热导率仍然是一个问题。 [0003] 一维纳米纤维具有高的长径比，将导热填料负载到纳米纤维上可以构建连续的导热路径，以此来提高导热率。目前，更多的通过前驱体溶液与填料混纺的方式，利用静电纺丝来制备复合纤维薄膜，然而这样不能充分发挥填料的优势。静电纺丝是利用高压电场域将前驱体溶液牵伸成纳米或微米级纤维，但是静电纺丝对前驱体溶液要求比较高，效率低而且对收集方式要求较高，存在高压安全性问题，比较难以实现工业规模化生产。而气纺是一种高效的纤维生产方式，其原理是利用高速气流将聚合物溶液进行牵伸细化，在气纺过程中，溶剂得到快速蒸发，很快固化成纤维，效率高，能耗低，有利于实现工业化生产。 发明内容[0004] 为了解决现有导热复合材料制备存在的问题，本发明的提供一种定向互联高导热复合薄膜的制备与热压一体化装置及其制备与热压方法，采用气纺与热压技术简单高效地制备高导热复合。 [0005] 本发明定向互联高导热复合薄膜的制备与热压一体化装置采用的技术方案是：具有高压储气罐，高压储气罐的输出端分别连接两个注射器，每个注射器的输出端同轴心地连接一个同心喷嘴，第一注射器内部储有纳米片分散液，第二注射器内部储有聚合物溶液，两个同心喷嘴喷出方向上的溶液在空间形成纤维成形通道，纤维成形通道的一侧设置容器，另一侧设置加热板，容器内部有隔板将容器分割为第一真空室和第二真空室，第二真空室靠近纤维成形通道这一侧，隔板在朝向纤维成形通道侧面上设有若干个圆柱状凸起，若干个圆柱状凸起的对面是可移动的收集板且收集板作为容器最靠近纤维成形通道的侧壁，收集板由连接在容器内侧壁上的水平移动工作台上带动朝靠近和远离纤维成形通道的方向来回移动；收集开有与圆柱状凸起数量相同的贯穿的通孔，圆柱状凸起能伸入并穿过通孔；加热板连接液压系统模块，液压系统模块带动加热板向远离和靠近收集板方向来回移动；第一真空室分别连接第二抽风机和第二气泵，第二真空室经第一抽风机连接冷凝回收箱。 [0007] 进一步地，两个所述的同心喷嘴和两个所述的注射器组成一组射流发生单元，有多组射流发生单元沿同一个圆的圆周排布，多组射流发生单元的中心轴汇聚在同一直线上。 [0008] 进一步地，两个同心喷嘴在同一高度，且在空间形成V形，均倾斜布置，第一注射器和第一个同心喷嘴的中心轴与竖直方向的夹角、第二注射器和第二个同心喷嘴的中心轴与竖直方向的夹角范围均为15°～75°，两个夹角相等或不相等。 [0009] 制备与热压复合薄膜的方法采用的技术方案是依次按以下步骤： [0010] 步骤A：第一抽风机打开，加热板工作，第一注射器和第二注射器同时挤出溶液，收集板上形成第一层纤维膜； [0011] 步骤B：当第一层纤维膜的厚度达到设定的厚度后，水平移动工作台带动收集板朝圆柱状凸起的方向移动相同的厚度距离后停止，继续进行第二层纤维膜的沉积，如此循环，直至纤维膜达到总厚度后关闭第一抽风机； [0012] 步骤C：第二气泵开启，推动隔板向收集板方向移动，使得圆柱状凸起嵌入收集板的通孔，当圆柱状凸起端部与收集板朝着纤维成形通道的这一侧面齐平时，关闭第二气泵； [0013] 步骤D：液压系统模快带动加热板向收集板方向移动至纤维膜处对其热压，达到保压时间后，液压系统模块带动加热板回位，关闭加热板和液压系统模块； [0014] 步骤E：开启第二气泵，继续推进隔板，带动圆柱状凸起穿出隔板上的通孔，以复合薄膜脱模剥离，关闭第二气泵。 [0015] 步骤A中，第一注射器的工作气压是10～45psi，第二注射器的工作气压是35～105psi，两个同心喷嘴的工作气压是10～70psi，加热板的温度为20～30℃；步骤D中，加热板的温度为120～200℃，对纤维膜的压强为10～20MPa，保压时间为10～20min。 [0016] 本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果： [0018] 2.本发明采用可调节互成角度的同心喷嘴，同时将聚合物溶液与氮化硼分散液分到两个支路，可以使得纳米片与纤维更加均匀的结合，不仅可以实现氮化硼纳米片与纤维的定向结合，还可以使得氮化硼纳米片裸露在纤维表面，而不是在纤维中排列，有利于导热路径的构建。 [0019] 3.本发明能实现氮化硼纳米片沿纤维轴向选择性分布和热压后复合薄膜在面内形成定向互联结构，有效构建导热路径，获得较低的界面热阻，可以在低填充量下就能获得优异的导热性能。 [0021] 图1为本发明定向互联高导热复合薄膜的制备与热压一体化装置的结构示意图： [0022] 图2为图1中一组射流发生单元的工作状态示意图； [0023] 图3为在图2中的基础上再增加两组射流发生单元的工作状态示意图； [0024] 图4为热压时图1中的隔板与收集板结合示意图； [0025] 图5为脱模时图1中的隔板与收集板结合示意图； [0026] 图6为制备的一种复合薄膜的微观状态示意图。 [0027] 附图标记如下： [0028] 1‑液压系统模块，2‑距离传感器，3‑加热板，4‑分散液储液箱，5‑第一注射器，6‑第一压力调节阀，7‑高压储气罐，8‑第二压力调节阀，9‑第三压力调节阀10‑第二注射器，11‑聚合物储液箱，12‑同心喷嘴，13‑控制中心，14‑冷凝回收箱，15‑第一抽风机，16‑容器，17‑第一气泵，18‑第一真空室，19‑步进电机，20‑第二气泵，21‑第二抽风机，22‑隔板，23‑第二真空室，24‑水平移动工作台，25‑收集板，26‑旋转回收网，27‑固定支撑架，28‑位置传感器，29‑圆柱状凸起，30‑旋转轴锟。 具体实施方式[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例而不是全部的实施例。 [0030] 参见图1，本发明定向互联高导热复合薄膜的制备与热压一体化装置具有高压储气罐7，高压储气罐7的输出端分别连接两个注射器，每个注射器的输出端同轴心地连接一个同心喷嘴，两个同心喷嘴在同一高度。两个同心喷嘴共用同一个压力调节阀调节其高压气流。具体是：高压储气罐7通过第一压力调节阀6分别连接两个同心喷嘴12，第一压力调节阀6出口端分别连通两个结构相同的同心喷嘴12，两个同心喷嘴12处于同一个高度位置。高压储气罐7通过第二压力调节阀8连接第一注射器5，第二压力调节阀8的出口端连接第一注射器5的进口端，第一注射器5的出口端连通第一个同心喷嘴12的进口端，第一注射器5内部储有纳米片分散液，产生的高压气流作用于第一注射器5内部活塞，将纳米片分散液挤出到第一个同心喷嘴12中喷出，第二压力调节阀8控制第一注射器5将纳米片分散液挤出的压力，第一压力调节阀6控制同心喷嘴12喷出的压力。高压储气罐7通过第三压力调节阀9连接第二注射器10，第二注射器10内部储有聚合物溶液，第三压力调节阀9出口端连接第二注射器10的进口端，第二注射器10的出口端同轴心地连通第二个同心喷嘴12的进口端，第二注射器10产生的高压气流作用于第二注射器10内部活塞，将第二注射器10内的聚合物溶液挤出到第二个同心喷嘴12中喷出，第三压力调节阀9控制第二注射器10将聚合物溶液挤出的压力，第一压力调节阀6控制同心喷嘴12喷出的压力。两个同心喷嘴12受到高压气流的作用，将聚合物溶液和纳米片分散液分别进行牵伸和雾化分散。 [0031] 第一压力调节阀6、第二压力调节阀8和第三压力调节阀9分别经各自的控制线连接控制中心13，由控制中心13控制阀的开启和关闭。 [0032] 第一注射器5同时还连接分散液储液箱4，分散液储液箱4可向第一注射器5内提供并补偿纳米片分散液。第二注射器10同时还连接聚合物储液箱11，聚合物储液箱11可向第二注射10内提供和补偿聚合物溶液。聚合物储液箱11内部溶液可以为聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、尼龙6等聚合物溶液。分散液储液箱4内部溶液选用氮化硼纳米片分散液，氮化硼纳米片具有较高的比表面积、热导率、极好的电绝缘性和较低的热膨胀系数，利用一维纳米纤维和二维纳米片填料的耦合效应降低界面热阻，可以显著提高复合材料的导热系数。 [0033] 参见图2，第一注射器5、第二注射器10与同心喷嘴12连接时，其注射针头穿过同心喷嘴12并超出同心喷嘴12出口端约1～3mm。两个同心喷嘴12在空间形成V形，均倾斜布置，第一注射器5与第一个同心喷嘴12的中心轴与竖直方向的夹角为β，第二注射器10与第二个同心喷嘴12的中心轴与竖直方向的夹角为α，α与β为15°～75°，α与β可以相等，也可以不等。两个同心喷嘴12出口端喷出方向上的溶液在空间形成纤维成形通道。两个同心喷嘴12倾斜布置的目的是使得纳米片b与聚合物纤维a更加充分均匀地粘附结合，可以使得氮化硼纳米片选择性分布在纤维表面，沿聚合物纤维轴向定向排布，还可以使得氮化硼纳米片裸露在纤维表面，而不是在纤维内部排列，从而有利于导热路径的构建。 [0034] 在纤维成形通道的一侧设置容器16，另一侧设置加热板3。容器16是密闭式，容器16内部设置了固定不动的隔板22，隔板22将容器16分割为第一真空室18和第二真空室23，第二真空室23靠近纤维成形通道这一侧，第一真空室18在背离纤维成形通道这一侧。隔板 22在朝着纤维成形通道的这一侧面上设置有若干个圆柱状凸起29，若干个圆柱状凸起29均相互平行且均布在隔板22的侧面，圆柱状凸起29朝向加热板3，均是向着纤维成形通道的方向延伸出的凸起。 [0035] 在若干个圆柱状凸起29的对面是可移动的收集板25，收集板25本身作为容器16的一个侧壁，且是最靠近且面对着纤维成形通道的侧壁。加热板3和收集板25相互平行，之间间隔的是纤维成形通道。收集板25连接在水平移动工作台24上，水平移动工作台24连接在容器16的内侧壁上，且经控制线连接控制中心13，由控制中心13控制其工作。当水平移动工作台24工作时，能带动收集板25沿靠近和远离纤维成形通道的方向来回移动，能改变第二真空室23内部的体积，使第二真空室23内部的体积变大和变小。收集板25来回移动时，始终与密封移动。 [0037] 在收集板25开有多个贯穿的通孔，贯通了纤维成形通道与第二真空室23。通孔数量与圆柱状凸起29的数量相同。多个通孔在收集板25上均布，通孔的内径d＝2～4mm，深度L1＝5～10mm，即收集板25的厚度为5～10mm。圆柱状凸起29的外径为d，和收集板25上的通孔的内径d相同，凸起长度为L2，L2＞1.5L1。当收集板25朝隔板22方向移动后，圆柱状凸起29能伸入通孔并穿过通孔。 [0038] 第二真空室23通过管道连接第一抽风机15，第一抽风机15连接冷凝回收箱14，冷凝回收箱14用于挥发溶剂的冷凝回收，第一抽风机15和冷凝回收箱14都在容器16的外部，第一抽风机15经控制线连接控制中心13。当控制中心13控制第一抽风机15工作时，其抽吸风在第二真空室23内产生负压，可通过收集板25上的通孔，在第二真空室23内产生真空抽吸，使得纤维成形通道中的纤维通过附着在收集板25表面。 [0039] 在收集板25的正对面是加热板3，收集板25和加热板3之间间隔着纤维成形通道，收集板25和加热板3相互平行布置。加热板3连接液压系统模块1，加热板3和液压系统模块1分别经控制线连接控制中心13。控制中心13能控制液压系统模块1带动加热板3来回移动，使加热板3远离和靠近收集板25。加热板3在面对收集板25的表面具有自润滑性，能避免纤维在加热板3表面附着。液压系统模块1的柱塞朝加热板3伸出，加热板3安装在液压系统模块1的柱塞上。热压时，由控制中心13向液压系统模块1发出指令，液压系统模快1上的柱塞带动加热板3向收集板25移动，将收集板25的纤维膜进行，加热板3和液压系统模块1提供热压时的温度和压力，由控制系统13设定热压的温度、压力和保压时间。加热板3不仅为热压提供热源，同时还用于纺丝时加热，促进溶剂挥发。 [0040] 加热板3上设有一个贯穿的通孔，用于安装有距离传感器2，距离传感器2经信号线连接控制中心13，距离传感器2能检测收集板25上沉积的单层纤维膜的厚度h，并将厚度h的信号传递到控制中心13。 [0041] 第一真空室18分别连接第二抽风机21和的第二气泵20，第二抽风机21和第二气泵20在容器16的外部。第二抽风机21和第二气泵20分别经控制线连接控制中心13，控制中心 13控制第二气泵20开启，向第一真空室18内部打气，调节第一真空室18内部的气压，从而推进隔板22向加热板3方向移动，使得圆柱状凸起29正好能嵌入收集板25上的通孔中，圆柱状凸起29的端部与收集板25的侧面平齐，防止热压时因聚合物熔融而沿收集板25的通孔溢出。热压完成并冷却后，第二气泵20继续推进隔板22，使圆柱状凸起29穿出隔板22上的通孔，实现导热复合膜的脱模剥离。 [0042] 第二抽风机21、容器16、加热板3与液压系统模块1均放置在固定支撑架27上。固定支撑架27上还设有旋转回收网26。两个同心喷嘴12在纤维成形通道的首端，则旋转回收网26在纤维成形通道的末端，纤维散落在旋转回收网26上。本发明将旋转回收网26设在纤维成形通道的下方，则两个同心喷嘴12在纤维成形通道的上方。旋转回收网26的两端绕在旋转轴锟30上，由旋转轴锟30带动旋转，旋转轴锟30同轴固定连接步进电机19，步进电机19经控制经连接控制中心13，由控制中心13控制步进电机19工作，从而驱动旋转轴锟30旋转，带走落在旋转回收网26上的纤维，用于回收纺丝时散落的纤维。 [0043] 如图2和图3所示，由两个同心喷嘴和两个注射器组成了一组射流发生单元，图2所示的仅是采用了一组射流发生单元，该射流发生单元为A，一组射流发生单元由第一推进注射器5、第二推进注射器10和两个同心喷嘴12组成，本发明所述的与热压一体化装置在实施时，还可以采用如图3所示的多组射流发生单元以提高加工效率，多组射流发生单元分别为A、B、C等，图3仅以采用三组射流发生单元为例，三组射流发生单元共采用6个注射器和对应连接的6个同心喷嘴，三组射流发生单元沿同一个圆D的圆周排布，每组射流发生单元中的β与α角可以相等也可以不相等，但多组射流发生单元的中心轴汇聚在同一直线上。 [0044] 本发明制备与热压一体化装置工作时，按以下步骤生产出定向互联的高导热复合薄膜： [0045] 步骤一：通过打开分散液储液箱4自带的开关，向第一注射器5中充入氮化硼纳米片分散液，通过打开聚合物储液箱11自带的开关向第二注射器10内充入前驱体聚合物溶液，充满后关闭开关。纳米片分散液粘度要小于聚合物溶液的粘度。 [0046] 步骤二：控制中心13控制第一压力调节阀6、第二压力调节阀8、第三压力调节阀9、加热板3、第一抽风机15和步进电机19同时打开，并设定好第二压力调节阀8和第三压力调节阀9的压力，氮化硼纳米片和前驱体聚合物溶液同时挤出。调节第一压力调节阀6，控制同心喷嘴12内的气压，将挤出的纳米片分散液和聚合物溶液同时进行雾化和牵伸固化。控制加热板3的温度，促进溶剂的挥发，在收集板25上形成第一层纤维膜。第一抽风机15工作，在第二真空室23内产生负压，纤维收集到收集板25上，同时，距离传感器2实时监测纤维膜的厚度，并反馈给控制中心13。步进电机19驱动旋转轴锟30旋转，带动回收网26运动，用于收集散落的纤维。 [0047] 控制中心13调节第二压力调节阀8的压力为10～45psi，也是第一注射器5的工作气压。第三压力调节阀9的压力范围为35～105psi，是第二注射器10的工作气压。第一压力调节阀6的压力范围为10～70psi，也是同心喷嘴12喷出的工作气压10～70psi。加热板3的温度范围为20～30℃。 [0048] 步骤三：当控制中心13接收到距离传感器2反馈的第一层纤维膜的厚度达到设定的厚度h后，控制中心13控制水平移动工作台24工作，带动收集板25朝圆柱状凸起29的方向移动相同的距离h，水平移动工作台24停止，继续进行第二层纤维膜的沉积制备。 [0049] 步骤四：重复操作步骤三，如此循环，实现层层纤维的堆积。堆积纤维过程中，第一抽风机15和步进电机19一直处于工作状态，冷凝回收箱14将挥发的溶剂进行冷凝回收，旋转回收网26一直于回收溢出散落的纤维。 [0050] 待纤维膜层层堆叠至需要制备的总厚度后，总厚度范围为20～200μm，关闭第一压力调节阀6、第二压力调节阀8、第三压力调节阀9、第一抽风机15、步进电机19。 [0051] 步骤五：纤维膜达到总厚度H后，对其热压。在热压前，控制中心13开启第二气泵20和位置传感器28，第二气泵20向第一真空室18打气，推动隔板22向收集板25方向移动，使得圆柱状凸起29嵌入收集板25上的通孔。位置传感器28用于检测隔板22移动的位置，当检测到当隔板22移动到圆柱状凸起29端部与收集板25朝着纤维成形通道的这一侧面齐平时，圆柱状凸起29刚好接触到纤维膜，如图4所示的状态，关闭第二气泵20，精准控制隔板22移动的位置。 [0052] 步骤六：对纤维膜进行热压，由控制中心13向液压系统模块1发出指令，液压系统模快1上的柱塞带动加热板3向收集板25方向移动直至纤维膜处对其进行热压，同时控制系统中加热板3的温度设为120～200℃，加热板3对纤维膜的压强为10～20MPa，保压时间为10～20min。加热板3不仅为热压提供热源，还用于纺丝时加热，促进溶剂挥发。热压完成后，控制中心13控制液压系统模块1将加热板3回位，恢复到初始位置，随后关闭加热板3和液压系统模块1。 [0053] 步骤七：热压后，控制中心13重新开启第二气泵20，利用第二气泵20继续推进隔板22，带动圆柱状凸起29穿出隔板22上的通孔，如图5所示的状态，实现导热复合膜的脱模剥离，随后关闭位置传感器28和第二气泵20。 [0054] 步骤八：脱模完成后，控制中心13同时打开第一气泵17、第二抽风机21和水平移动工作台24，第一气泵17和第二抽风机21的同时工作使得隔板22恢复到初始位置，水平移动工作台24带动收集板25恢复到初始位置。 [0055] 参见图6，沿纤维轴向排列的氮化硼纳米片在热压后相互连接，聚合物熔融，形成更加致密的氮化硼纳米片网络，限制氮化硼纳米片沿厚度方向的自由度，增强了氮化硼纳米片在平面内方向的取向，构建平面内热传导路径，有助于降低氮化硼纳米片之间的界面热阻，最终实现氮化硼纳米片沿纤维轴向和平面内定向互联取向，构建了连续的热传导路径。 [0056] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。 |
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