一种在柔性塑料基底表面电沉积多孔结构毛细芯的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及一种柔性基材表面制备具有稳定结构多孔结构毛细芯的方法。

背景技术

随着微电子器件发展迎来新一番浪潮，柔性可穿戴电子器件的发展对散热系统提出了全新的需求，在多次弯折变形后仍能保持稳定的散热能力是柔性散热系统的难题。因此，设计在弯折状态下能保持稳定传热功能的柔性超薄均温板，对柔型电子器件的散热问题具有重要的理论意义及广泛的应用前景。

毛细芯是均温板的核心构件，决定均温板的整体性能。现今柔性均温版的毛细芯多采用传统未经处理后的铜网、复合铜网、具有润湿性梯度的铜网，但存在柔性差，与基底结合差增加热阻，毛细性能差等问题，已不能满足柔性吸液芯的需求。目前直接在柔性基材上制备仿生毛细芯方法较少，亟需开发一种在柔性基底上的高性能多孔结构毛细芯的制备方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用电沉积在柔性基材表面获得多孔结构毛细芯的制备方法，该制备方法可控。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在柔性塑料基底表面电沉积多孔结构毛细芯的制备方法，包括：

S1准备柔性基材聚酰亚胺，将其置于强碱水溶液中水解，使用硝酸银溶液活化水解后的基材；

S2将硫酸铜、乙二胺四乙酸二钠、乙醛酸和氢氧化钠混合配置成碱性化学镀溶液，然后将步骤S1活化后的聚酰亚胺基材置于所述碱性化学镀溶液中进行化学镀铜；

S3将上述化学镀后的聚酰亚胺基材，置于硫酸铜和硫酸的混合电解液中，设定电流密度和电沉积时间，制备得到多孔结构毛细芯；

S4对上述得到的多孔结构毛细芯进行烧结以增强多孔结构毛细芯强度。

作为优选的，在上述的制备方法中，所述步骤S1具体为：

将聚酰亚胺置于1mol/L～6mol/L的氢氧化钠水溶液中水解；将水解后的聚酰亚胺置于0.003mol/L～0.2mol/L的硝酸银水溶液中活化。

作为优选的，在上述的制备方法中，所述步骤S2具体为：

配置0.01mol/L～1mol/L的硫酸铜、0.05mol/L～0.35mol/L的乙二胺四乙酸二钠、0.1mol/L～0.5mol/L的乙醛酸，然后加入氢氧化钠调节pH至10～14得到碱性化学镀溶液；最后将活化后的聚酰亚胺基材置于碱性化学镀溶液中5s～600s。

作为优选的，在上述的制备方法中，步骤S3所述硫酸铜的浓度为0.04mol/L～饱和、硫酸浓度为0.01mol/L～5mol/L；

所述电流密度为恒电流0.01～5A/cm

作为优选的，在上述的制备方法中，步骤S1所述水解的时间为15min～180min，所述活化的时间为15min～180min。

作为优选的，在上述的制备方法中，步骤S4中，所述烧结的温度为200℃～500℃，烧结时间为30min～300min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用电沉积技术在聚酰亚胺表面制备与基底一体化的多孔结构毛细芯，实现了弯折变形后能保持稳定结构的柔性均温版毛细芯的要求，进而使柔性基材表面电沉积的毛细芯结构在弯曲条件下有稳定优异的流体流动性能。本发明制备的多孔结构毛细芯具有多尺度结构特征，该结构由微米、纳米晶枝颗粒组成，该结构具有微米、纳米尺度孔隙；其中微米晶枝颗粒尺寸在1-1000μm，纳米晶枝颗粒尺寸在0.100μm-10μm，微米孔隙由独立的微米晶枝形成或微米晶枝结构所围成区域形成，其孔隙尺寸范围在10-500μm，纳米孔隙由纳米级的晶枝之间形成的孔隙，该孔隙尺寸范围在0.1μm-10μm。

附图说明

图1为本发明实施例1中得到的仿生蜂窝状多孔毛细芯的扫描电镜照片；

图2为本发明实施例1中得到的仿生蜂窝状多孔毛细芯的扫描电镜照片；

图3为本发明实施例2中得到的仿生树林状多孔毛细芯的扫描电镜照片；

图4为本发明实施例2中得到的仿生树林状多孔毛细芯的扫描电镜照片；

图5为本发明实施例2中得到的仿生树林状多孔毛细芯的侧面扫描电镜照片；

图6为本发明实施例2中得到的聚酰亚胺基材上电沉积多孔结构的弯折形态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种在聚酰亚胺表面电沉积仿生毛细芯的制备方法，包括：S1)将聚酰亚胺基材置于氢氧化钠水溶液中水解，使用硝酸银水溶液活化水解后的聚酰亚胺基材；S2)将硫酸铜、乙二胺四乙酸二钠、乙醛酸、氢氧化钠混合制备化学镀溶液，活化后的聚酰亚胺基材短暂置于化学镀溶液中；S3)将上述化学镀后的聚酰亚胺基材，置于硫酸铜、硫酸混合电解液中，改变电流密度与电解液浓度在化学镀后的聚酰亚胺上制备多孔结构毛细芯；S4)高温烧结增强仿生结构强度。

其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，其可为市售也可为自制。

在本发明中，所需聚酰亚胺基材优选按照以下步骤制备：将聚酰亚胺通过水洗-乙醇清洗后，置于氢氧化钠溶液中水解，然后置于硝酸银水溶液中活化。

所述氢氧化钠优选浓度为1mol/L～6mol/L，更优选为1.5mol/L～4mol/L，再优选为2.5mol/L～4mol/L，最优选为3mol/L～4mol/L；水解时间优选为15min～180min，更优选为30min～150min，再优选为60min～150min，最优选为60min～120min；其次将水解后的聚酰亚胺基底置于硝酸银水溶液中活化，进行离子交换反应；所述硝酸银水溶液浓度优选为0.003mol/L～0.2mol/L，更优选为0.005/L～0.2mol/L，最优选为0.01mol/L～0.2mol/L；活化时间优选为15min～180min，更优选为30min～150min，再优选为60min～150min，最优选为60min～120min。

化学镀聚酰亚胺基材优选按照以下步骤制备：配置化学镀混合溶液，然后将前述活化后的聚酰亚胺基材短暂置于化学镀溶液中。

所述化学镀混合溶液优选配置方案如下：配置一定浓度的硫酸铜、乙二胺四乙酸二钠、乙醛酸溶液，最后加入一定量氢氧化钠调节PH值至10-14。

上述化学镀溶液中，硫酸铜优选浓度为0.01mol/L～1mol/L，更优选为0.01mol/L～0.08mol/L，再优选为0.01/L～0.05mol/L，最优选为0.01mol/L～0.02mol/L；乙二胺四乙酸二钠优选浓度为0.05mol/L～0.35mol/L，再优选为0.05mol/L～0.2mol/L，更优选为0.05mol/L～0.15mol/L，更优选为0.05mol/L～0.1mol/L；乙醛酸优选浓度为0.05mol/L～1mol/L，更优选为0.1mol/L～0.4mol/L，再优选为0.1mol/L～0.3mol/L，最优选为0.1mol/L～0.2mol/L；氢氧化钠优选浓度为0.3mol/L～1mol/L，更优选为0.3mol/L～0.8mol/L，再优选为0.3mol/L～0.6mol/L，最优选为0.3mol/L～0.4mol/L；调节pH范围优选为10～14，更优选为12～14。

将活化后的聚酰亚胺基材置于上述化学镀混合溶液中的时间优选为5s～600s，更优选为10s～200s，再优选为10s～150s，更优选为10s～100s。

具有多孔结构毛细芯的聚酰亚胺按照如下步骤制备：先配置硫酸铜、硫酸混合电解液，然后将化学镀铜的聚酰亚胺置于混合电解液中，阴极为化学镀后的聚酰亚胺，采用一定电流在阴极电化学沉积制备具有多孔结构吸液芯的聚酰亚胺。

具有多孔结构毛细芯的聚酰亚胺所需要的混合电解液中，硫酸铜优选浓度为0.04mol/L～饱和，更优选为0.2mol/L～0.6mol/L，再优选为0.3mol/L～0.6mol/L，最优选为0.4mol/L～0.5mol/L；硫酸优选浓度为0.01mol/L～5mol/L，更优选为0.6mol/L～3mol/L，再优选为0.5mol/L～2mol/L，最优选为1mol/L～1.6mol/L；硫酸铜浓度与硫酸浓度在最优选浓度范围内均可制备具有多孔结构毛细芯的聚酰亚胺。

将化学镀后的聚酰亚胺置于混合电解液中进行电沉积，优选电流密度增速为0.005A/(cm

多孔结构吸液芯的烧结强化，烧结温度优选为200℃～500℃，更优选为300℃～450℃，再优选为350℃～450℃，最优选为400℃；

本发明在柔性聚酰亚胺上沉积多孔结构毛细芯，该结构具有较大的毛细性能，得到的仿生毛细结构与聚酰亚胺基底有较强的结合力，在弯曲状态下仍能保持良好的结构，进而使制备的材料在弯曲状态下具有良好的流动性能。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种具有多孔毛细结构的聚酰亚胺及其制备方法进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售。

实施例1：

首先将聚酰亚胺置于4mol/L氢氧化钠水溶液中水解60min，将水解后的聚酰亚胺使用去离子水超声清洗10min，清洗完成后将上述聚酰亚胺置于0.012mol/L硝酸银水溶液中活化60min。

其次配置0.06mol/L硫酸铜，0.12mol/L乙二胺四乙酸二钠，0.17mol/L乙醛酸，0.5mol/L氢氧化钠调节pH至13，得到碱性化学镀溶液。将活化后的聚酰亚胺置于化学镀溶液中30s。

配置0.4mol/L硫酸铜，1.8mol/L浓硫酸配置混合电解液。以化学镀后的聚酰亚胺为阴极，在上述电解液中以0.4A/cm

最后将电沉积后的聚酰亚胺置于箱式炉中，烧结温度为400℃。

利用扫描电镜对实施例1中得到的具有多孔结构的聚酰亚胺材料进行分析，得到具有蜂窝状的聚酰亚胺如图1、图2所示。

蜂窝状毛细芯具有良好的传热性能，聚酰亚胺基底具有良好的柔性，柔性多孔蜂窝状毛细芯兼具良好的柔性以及传热性能。

实施例2：

首先将聚酰亚胺置于4mol/L氢氧化钠水溶液中水解60min，将水解后的聚酰亚胺使用去离子水超声清洗10min，清洗完成后将上述聚酰亚胺置于0.012mol/L硝酸银水溶液中活化60min。

其次配置0.06mol/L硫酸铜，0.12mol/L乙二胺四乙酸二钠，0.17mol/L乙醛酸，0.5mol/L氢氧化钠调节pH至13，得到碱性化学镀溶液。将活化后的聚酰亚胺置于化学镀溶液中30s。

配置0.7mol/L硫酸铜，0.8mol/L浓硫酸配置混合电解液。以化学镀后的聚酰亚胺为阴极，在上述电解液中以0.06A/(cm

最后将电沉积后的聚酰亚胺置于箱式炉中，烧结温度为400℃。

利用扫描电镜对实施例2中得到的具有多孔结构的聚酰亚胺材料进行分析，得到具有树林状多孔结构的聚酰亚胺如图3、图4所示。

利用扫描电镜对实施例2中得到的具有多孔结构的聚酰亚胺材料进行分析，得到具有树林状多孔结构的聚酰亚胺侧面如图5所示。

上述图例中电沉积的树林状多孔毛细芯在枝晶底部具有微米级结构，具有良好的渗透性能；上部枝晶部分为纳米级结构，具有优异的毛细性能。仿生树林状毛细芯具有微纳双尺度结构，因而具有良好的流动性能。

利用照相机对实施例2中得到的具有多孔结构的聚酰亚胺材料进行分析，得到弯曲状态下具有树林状多孔结构的聚酰亚胺弯曲形貌如图6所示。

具有树林状多孔结构的聚酰亚胺具有良好的柔性，毛细芯与基底之间的结合强度较高，在弯曲状态下仍具有良好的形貌特征。