石墨烯产业化的研究应用

石墨烯产业化的研究应用

仇富军,吴梦依

宁波福泰电器有限公司 浙江宁波 315000

摘要：近年来LED受到国家政策的大力支持，发展迅猛。但由于LED灯具采用铝质灯杯散热器重量太大，在使用和安装过程存在不便和安全隐患，光能转化弱，而导热高分子材料是解决LED芯片散热的优选材料，基于石墨烯复合导热高分子材料具有散热均匀、质轻、成型加工方便、产品设计自由度高的特性，因此本文将从石墨烯高分子材料的开发技术路线、方法、研究内容和成果来展开论述分析，进一步阐释了该材料的产业化应用前景广阔，同时也指出研究中存在的不足以及接下来的研究方向。                   

关键词：石墨烯，复合导热高分子材料，产业化，应用

引言

节能致电发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明、城市夜景、大型建筑照明等领域。近年来LED受到国家政策的支持，发展迅猛。由于目前LED灯具采用铝质灯杯散热器导致重量过重，在安装和使用过程中存在不便和安全隐患，而且高功率LED输入功率约有15 %~20 %的能量转变成光，余下75 %~80 %的电能均转变成热。一般驱动LED工作的半导体器件允许工作温度低于100℃，当LED器件温度上升到120℃时，亮度下降35 %。导热高分子复合材料是解决LED芯片散热的优选材料，它可以把LED发光产生的热量及时导出，有效地降低结温，达到了提高LED发光效率、延长使用寿命的目的。另外，导热高分子复合材料可以实现LED导热部件的轻量化，提高了LED灯的使用安全性。因此，导热高分子复合材料的研制和应用是今后LED在市场获得发展的关键问题。

导热高分子复合材料（简称导热塑料）正越来越多地取代金属部件应用于LED灯具的导热部件，包括灯座、冷却散热灯杯和外壳等。比起传统的金属材料，导热塑料拥有很多优势，总结起来有以下四点：其一，散热均匀，避免灼热点，减少零件因高温造成的局部变形。其二，质轻，比铝材轻40%~50%。其三，成型加工方便，无需二次加工。其四，产品设计自由度高。采用导热塑料替代金属，能够增加灯具造型设计的灵活性，降低灯具总重量。除此之外，导热塑料的应用能够有效提高照明效率，节约电耗。而高分子材料的热导率一般在0.14～0.34，属于介电绝缘材料，提高其导热性能的途径有两种：第一种是合成具有高导热系数结构的聚合物，如聚乙块、聚苯胺、聚对苯撑和聚吡咯等，但完整结晶高度取向聚合物的加工工艺复杂，难以实现规模化生产；第二种方法是釆用高导热性的金属或无机填料填充聚合物材料。填充型高分子导热复合材料具有易加工成型，可通过优化设计，提高制品的导热效率，因此在LED导热塑料上将会有非常好的应用前景和发展空间。近几年来国际上许多塑料公司研发出了多种导热塑料，大多选用工程塑料和通用塑料为基材，如PA、LCP、PPS、PET、PBT、PEEK、ABS、PP等。导热填料可分为导热无机绝缘填料和导热非绝缘填料两大类。导热无机绝缘填料有Al2O3、BN、AlN、ZnO、MgO等；非绝缘导热塑料填料有导电率和热导率均较高的金属粉、石墨、炭黑、碳纤维等。前者与塑料基体相互混合可制成导热绝缘塑料，后者为导热非绝缘塑料。在塑料中填充导热填料，其热导率可在1W/(m·K)～20W/(m·K) 左右，是传统塑料热导率的5～100倍。因此，导热塑料可以取代传统的铝做成散热器。导热塑料的密度要比铝轻，差不多为铝的一半，所以塑料散热器的质量只有铝散热器的1/2。塑料散热器可用注射成型加工，其成型周期可以缩短20%～50%。而用导热绝缘塑料散热器就可以采用非隔离式电源而不必担心其安全问题。

1、石墨烯高分子材料研发的技术路线和方法

技术总路线图

针对上述总技术路线，拟重点解决的关键技术和研究方法如下：

（1）石墨烯的分散及复合导热填料的制备技术

针对导热填料用于导热高分子材料的应用要求，研发高导热易分散的石墨烯复合导热填料的制备技术。导热填料的协同效应可以有效提高导热材料的导热性能和力学性能。通过建立导热模型对导热材料的导热性能进行预测分析，从而选择合适的导热填料类型和配比。通过对石墨烯及其它导热填料进行表面修饰处理，研发易于同高分子材料进行加工并能均匀分散在高分子树脂基体中的复合高导热填料，同时使得高导热填料与高分子树脂基体的具有较好的界面结合强度，从而制备出具有优异导热性能和力学性能的高分子复合材料。在此研究基础上，研发石墨烯复合导热填料的规模化制备技术，形成完善的工艺流程，实现稳定批量制备。

（2）石墨烯复合导热高分子材料结构性能的可控制备技术

以聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等热塑性高分子材料或聚合物合金为树脂基体，填充石墨烯复合导热填料，其复合的导热填料成分为石墨、氧化锌、碳纤维、氧化铝等中的某种或几种组合填料，复合填料的含量0~60%，石墨烯的含量低于5%，研究高分子复合材料配方、基体特性（如结晶度等）对材料结构性能的影响，建立复合导热填料与复合材料导热性能和力学性能以及其微观结构之间的关系，建立合适的导热高分子材料导热模型，进一步探索导热高分子材料的导热机理，实现石墨烯复合导热高分子材料结构性能的可控制备。

（3）石墨烯复合导热高分子材料LED灯杯的结构设计

根据热量传递的途径，如热传导，对流换热和热辐射，建立LED灯杯散热模型，并对散热模型进行散热模拟，根据模拟结果进一步优化实物模型的结构。最后采用合适的配方和优化的注塑工艺条件注塑成型制备LED灯杯，根据灯杯的散热效果与模拟结果进行对比，确定最佳的LED灯杯结构。

2、石墨烯高分子材料的研究内容和成果

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新型碳纳米材料，厚度仅为0.35nm。由于其具有大的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性、较强的疏水性、易于进行化学修饰等优点，有望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。而且它是由sp2杂化碳原子紧密排列形成，具有独特的二维周期蜂窝状点阵结构，其结构单元中所存在的稳定碳六元环赋予其优异的热性能，被认为是优秀的热控材料。以石墨烯为填料的高导热塑料能够满足热管理、电子工业中高密度、高集成度组装发展的要求。例如纯聚酰胺6（PA6）的热导率为0.338W/(m·K)，当填充质量含量为50 %的氧化铝时，复合材料的热导率为纯PA6的1.57倍；当添加体积分数为25 %的改性氧化锌时，复合材料的热导率比纯PA6提高了3倍；而当添加体积分数为20%的石墨烯纳米片时，复合材料的热导率达到4.11W/(m·K)，比纯PA6提高了15倍以上，这展示了石墨烯在热管理领域的巨大应用潜力。

因此，开发出高导热塑料母粒应用于LED灯具上，不仅能降低整灯的成本，而且能实现LED灯具的轻量化，从而促进了LED灯应用的推广和普及。本文将开发石墨烯复合高分子导热材料用于LED散热灯杯。全方位开展石墨烯复合高分子导热材料关键技术研究，重点突破石墨烯导热填料的均匀分散技术、石墨烯复合高分子导热材料的配方技术、相匹配的生产工艺和产品注塑成型技术、及其结构性能评测等成套系统技术，研发出石墨烯增强导热塑料母粒，实现产业化，并在LED灯杯等导热塑料部件领域实现应用示范。为进一步降低LED结构热阻和改进导热塑料的热管理能力，设计合理的LED散热灯杯外形，从而实现高性价比的石墨烯复合高分子导热材料用于LED散热灯杯的产业化应用，促进产业升级与转型，服务于地方经济发展。

2.1 研究内容

（1）石墨烯分散技术的研究

石墨烯在填料中的均匀分散是制备复合导热填料的关键。根据石墨烯与其它填料之间的协同效应可大幅度提高导热填料的导热效果，通过特定的分散技术，将石墨烯分散到其它导热填料中，开发出高导热的石墨烯复合填料。

（2）填料表面修饰改性技术的研究

通过对石墨烯及其它导热填料进行表面修饰处理，研发易于同高分子材料进行加工并能均匀分散在高分子树脂基体中的复合高导热填料，同时使得高导热填料与高分子树脂基体的具有较好的界面结合强度，从而制备出具有优异导热性能和力学性能的高分子复合材料。

2.2低成本高导热石墨烯复合导热高分子材料配方的设计及优化

石墨烯复合导热高分子材料工艺配方的设计。通过建立导热模型对导热材料的导热性能进行预测分析，从而选择导热填料的类型和配比。进一步通过实验进行验证并调整其相关的模型参数，得到最佳的导热模型，进而设计出合适的导热填料类型和相关配比。

石墨烯复合导热高分子材料工艺配方的优化。在原有配方设计的基础上，通过调整填料配比、填料含量、助剂种类等对相关配方参数，制备导热石墨烯复合材料，建立相关参数与导热高分子材料导热率以及力学性能之间的关系，得到综合性能优异的石墨烯复合导热高分子材料的优化配方。

2.3低成本、高导热石墨烯复合材料导热机理及结构性能研究

复合导热填料与高分子复合材料导热性能及力学性能的之间关系。通过研究不同类型及含量的石墨烯复合导热填料对高分子复合材料导热性能及力学性能的影响规律，建立复合导热填料与高分子复合材料导热性能及力学性能的关系。

导热高分子材料结构与性能之间的关系。通过研究导热高分子材料的微观结构和导热性能及力学性能，建立导热高分子材料结构与性能之间的关系。

石墨烯复合导热高分子材料的导热机理研究。通过探讨复合导热填料对高分子复合材料导热性能及力学性能的影响规律，研究导热高分子材料微观结构与性能之间的关系，进而研究石墨烯复合导热高分子材料的导热机理。

2.4石墨烯复合导热高分子材料LED灯杯的结构设计

通过建立石墨烯复合导热高分子材料LED灯杯的散热模型，对LED灯的结构参数进行优化，设计出散热效果最佳的LED灯结构，为设计开发高散热LED灯的结构提供理论依据。

3. 取得的成果

本文成功研发出满足LED灯杯应用的石墨烯复合导热塑料，其导热率达8.27 W/m·K，高于市场上高端LED灯用导热塑料的导热率（深圳兆科导热塑料为2.25 W/m·K和Sabic导热塑料为0.77 W/m·K）。其导热塑料的阻燃等级达UL94 V0级；密度仅为1.504 g/cm3，低于2.7 g/cm3。应用该技术的新产品在2015-2017年研发成功投产后新增年销售额3962.55万元，新增利税383.84万元，取得了良好的经济效益。

结语

本文取得主要成果为LED灯杯散热、轻量化和降低成本问题提供了一条有效的解决途径，促进了LED灯应用的推广和普及以及促进产业升级与转型，带动培养了一批掌握核心技术的高端研发与工程应用的专业人才，服务于地方经济发展。

随着研究的进一步深入，小功率LED原为铝散热器的产品改为石墨烯复合导热塑料已经取得成功，现在将向大功率LED灯具产品发展。石墨烯复合导热塑料拓展到其他产品，如投光灯、作灯、包括大功率的路灯。但由于室内LED散热灯杯的市场流行色为白色，石墨烯本色为黑色，因此开发出来的石墨烯复合导热塑料灯杯的颜色为黑色，颜色将会影响市场需求，如何处理使得石墨烯复合导热塑料LED散热灯杯用于室外灯，或对颜色要求不高的工作环境。如进行涂色处理，提升产品的竞争力将是今后研究的一个重要方向。

参考文献

[1]吴海华,杨增辉,刘力,张忍静,邓开鑫,李言.三层石墨烯吸波体熔融沉积成形及层间材料分布对吸波性能的影响[J].材料导报,2023,37(02):24-30.

[2]高导热功能高分子材料的研发及产业化[Z]. 中山市点石塑胶有限公司. 2018.

[3]李晶晶. PbSeQDs负载石墨烯/PEDOT:PSS复合材料热电性能研究[D]. 湖北:武汉工程大学,2017. DOI:10.7666/d.D01633787.

[4]张龙,郭强,毕宸洋,等.非晶或结晶尼龙6共混改性热塑性聚氨酯的耐剂性能[J].高分子材料科学与工程.2019,(5).DOI:10.16865/j.cnki.1000-7555.2019.0133.

[5]张然,刘洋子健,蒋国昌,等.软段组成对MDI型聚氨酯弹性体性能的影响[J].聚氨酯工业.2019,(4).DOI:10.3969/j.issn.1005-1902.2019.04.004.

[6]古海良,周继贺,蒋文明,等.低压预制母线温升特性的建模仿真研究[J].高压电器.2022,58(7).DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2022.07.026.