CN101177527B - 一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备,包括(1)碳纳米管在浓硝酸和浓硫酸中反应,50-60℃超声2-3h,40-80℃水浴中回流5-6h,冷却洗涤干燥,将酸化的碳纳米管与异氰酸酯在室温下反应,经超声、洗涤、干燥;(2)加入有机溶剂,通氮气脱氧保护,加入二胺单体,机械搅拌,分批加入等摩尔二酐单体,冰浴搅拌4-6h;(3)将异氰酸酯官能化的碳纳米管在有机溶剂中超声36-48h,得碳纳米管悬浮液,悬浮液加入到聚酰胺酸溶液中,冰浴搅拌3h;(4)将上述混合溶液浇注在平板上,60℃下去除溶剂1h,在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃各保温1-2h,得碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。本发明制备工艺简单,成本低,对环境无污染;且所合成的复合材料热稳定性有所提高,可广泛应用在机械、化工领域。

Description

一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法
技术领域
本发明属复合材料的制备领域,更特别是涉及一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法。
背景技术
聚酰亚胺是一类以酰亚胺环为特征结构的聚合物,这类聚合物具有优良的耐热、机械和介电性能以及良好的抗冲击、抗辐射和耐溶剂等特点。目前各类聚酰亚胺制品已广泛应用于航天航空、电子电工、汽车等行业中,但随着现代工业的不断发展,对材料的性能要求也越来越高。无机纳米材料作为无机材料中的一种,其耐热性、机械强度及热膨胀系数都与聚酰亚胺匹配,因而无机纳米/聚酰亚胺复合材料的合成、性能及其应用研究具有十分重要的意义,已受到人们的广泛关注。
碳纳米管是继富勒烯之后出现的又一种新型无机碳材料,从结构上看碳纳米管可视为由石墨片卷曲而成的中空管状结构,其管壁是一种类似于石墨片的碳六边形网状结构,碳纳米管以其独特的结构和优异的力学、电学性能引起了人们的广泛注意。但是,碳纳米管由于其巨大的表面能,使管与管之间具有较强的吸附力,不能溶于水和普通有机溶剂中,润湿性能差,因此很难与聚合物基体形成有效地粘结;并且容易团聚,难以分散,这些缺点极大地限制了碳纳米管在各个领域的应用研究。
为了充分发挥碳纳米管在高分子聚合物中的增强作用,在制备碳纳米管/聚合物复合材料时就必须解决两个问题:一是要提高碳纳米管在聚合物基体中的分散性,碳纳米管/聚合物复合材料中团聚体的存在使得在微观尺度上聚合物容易形成应力集中,从而削弱了碳纳米管增强的效果;二是要提高碳纳米管和聚合物之间的界面粘结作用,使得外部作用力能够通过界面作用传递到碳纳米管上,从而达到增强的目的。
专利WO2007043007采用金属催化剂在聚合物基质表面沉积碳纳米管,制备纳米纤维;专利ZL200410017699.9中将表面带有氨基或羧基的改性碳纳米管与二元或多元异氰酸酯反应,从而制备了表面带有异氰酸酯基团的功能化碳纳米管,用作纳米交联剂,但并未涉及复合材料;专利CN200510027731.6中采用将聚酰亚胺接枝到碳纳米管表面,从而改善碳纳米管在溶剂中的分散性;专利200610026440.X采用稀土改性的碳纳米管与聚酰亚胺制备复合材料,但稀土的制备成本相当较高。
发明内容
要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,以克服现有碳纳米管/聚合物复合材料中碳纳米管在聚合物基体中的分散性不好以及碳纳米管和聚合物之间的界面粘结不牢固等却点。
技术方案
反应方程式如下:
Figure DEST_PATH_GA20173305200710170518X01D00011
本发明的技术方案是提供一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)碳纳米管的功能化:分为两步,第一步,碳纳米管在浓硝酸和浓硫酸的混合酸中反应,在50-60℃下超声2-3h,再在40-80℃水浴中回流5-6h,冷却、洗涤、分离、干燥,得到酸化的碳纳米管;第二步,将酸化的碳纳米管与等摩尔的异氰酸酯在室温下反应,经超声、洗涤、干燥,得到异氰酸酯官能化的碳纳米管;
(2)聚酰胺酸的合成:在三口圆底烧瓶中加入25-40ml的有机溶剂,通氮气脱氧保护,然后加入0.01-0.03mol的二胺单体,机械搅拌至完全溶解形成浓度为5%-30%的溶液,最后再分批加入等摩尔的二酐单体,冰浴下搅拌4-6h,得到浅黄色的聚酰胺酸溶液;
(3)混合溶液的配制:将异氰酸酯官能化的碳纳米管在有机溶剂中超声分散1-2h,得到百分比为0.1%-10%碳纳米管悬浮液,将2-20ml的悬浮液加入到上述合成的聚酰胺酸溶液中,冰浴下机械搅拌36-48h,制得功能化碳纳米管重量比例为0.1%~30%聚酰胺酸混合溶液;
(4)复合材料的制备:将所制备的功能化碳纳米管/聚酰胺酸混合溶液浇注在平板上,60℃下去除溶剂1h,在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃各保温1-2h进行热酰亚胺化,制得功能化碳纳米管重量比例为0.1%~30%聚酰亚胺复合材料。
所述步骤(1)中的碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管或双壁碳纳米管中的一种。
所述步骤(1)中的异氰酸酯为十八烷基异氰酸酯、对氯苯基异氰酸酯、3,4-二氯苯异氰酸酯、环己基异氰酸酯、叔丁基异氰酸酯中的一种。
所述步骤(2)中的有机溶剂为N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种。
所述步骤(2)中的二胺单体为4,4′-二氨基二苯醚、二氨基二苯基甲烷、间苯二胺和4,4′-二氨基二苯硫醚中的一种。
所述步骤(2)中的二酐单体为均苯四甲酸二酐、均苯二硫酐、联苯四甲酸二酐、三苯双醚四甲酸二酐、3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐和4,4′-氧化二邻苯二甲酸二酐中的一种。
所述步骤(4)功能化碳纳米管在该复合材料中的重量比例为0.1%~30%。
有益效果
本发明制备工艺简单,成本低,对环境无污染;且所合成的复合材料能有效地提高碳纳米管与聚酰亚胺基体的界面结合力,与聚酰亚胺材料相比,该复合材料的热稳定性有所提高,有望在机械、化工等方面得到广泛的应用。
附图说明
图1为改性碳纳米管的红外光谱图,其中(a)CNT-CONHC18H37,(b)CNT-COOH,(c)C18H37NCO。
图2为改性碳纳米管/聚酰胺酸复合材料的断面形貌照片。
图3为改性碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的热失重曲线,其中PI-1含3%碳纳米管,PI-2含7%碳纳米管,PI-3含10%碳纳米管。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)将6g的多壁碳纳米管加入120ml 70%浓硝酸和98%浓硫酸的混酸中(体积比为1∶3),在60℃下超声2h,再在60℃水浴中回流5h,冷却至室温后,缓缓加入去离子水浸泡约10h,倒掉上层清液,加去离子水,用高速离心机离心洗涤分离,用水多次洗涤直至产物的pH值大于6;最后将洗涤干净的碳纳米管放入烘箱中干燥48h,得到酸化的多壁碳纳米管MWNTs-COOH,放置在干燥器中保存。
(2)称取4g的MWNTs-COOH于500ml的容量瓶中,加入80ml N,N-二甲基乙酰胺(DMAc),超声30min;称取12g十八烷基异氰酸酯(C18H37NCO)于400ml的烧杯中,加入200ml的DMAc溶剂,搅拌至完全溶解;将200ml的C18H37NCO的DMAc溶液加入MWNT-COOH的DMAc悬浮液中,用少许DMAC溶剂冲洗烧杯,并将冲洗液加入上述的悬浮液中,超声2h,使得MWNTs-COOH与C18H37NCO完全反应,得到烷基化的多壁碳纳米管C18H37NHCO-CNTs。
(3)在烧瓶中加入25ml的DMAc溶剂,通氮气脱氧保护,加入3.0036g4,4′-二氨基二苯醚(ODA),机械搅拌至完全溶解,分批加入3.2718g的均苯四甲酸酐(PMDA),冰浴下搅拌4-6h,得到固含量为20%的浅黄色的聚酰胺酸(PAA)溶液。
(4)称取0.0628g烷基化的碳纳米管,放入样品瓶中,加入8ml的DMAc溶剂,超声2h,使得碳纳米管分散在溶剂中,将烷基化的碳纳米管的DMAc溶液加入到上述的PAA溶液中,再用2ml冲洗干净样品瓶,洗液也加入溶液中,冰浴下机械搅拌48h,得到1%的烷基化的碳纳米管/聚酰胺酸溶液。
(5)在玻璃板上压膜,将膜放入烘箱中,60℃下去除溶剂,然后再热酰亚胺化,在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃各保温1h,制得1%改性碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。
图1是改性碳纳米管的红外光谱图,可以看出与(b)CNT-COOH、(c)C18H37NCO的红外光谱图相比,烷基化碳纳米管(a)CNT-CONHC18H37在1614cm-1处出现了-NHCO-中的羰基的伸缩振动峰,1573cm-1处出现了N-H的弯曲振动,1220cm-1处出现了C-N伸缩振动。
图2是改性碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的断面形貌照片,可以很明显看出烷基化碳纳米管已经均匀地分散到聚酰胺酸基体中。
图3是改性碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的热失重曲线,表明随着烷基化碳纳米管含量的增加,复合材料的热稳定性提高。
实施例2
(1)同实施例1中的(1)。
(2)称取4g的MWNTs-COOH于500ml的容量瓶中,加入80mlN,N’-二甲基甲酰胺溶剂,超声30min;称取12g对氯苯基异氰酸酯于400ml的烧杯中,加入200ml的N,N’-二甲基甲酰胺溶剂,搅拌至完全溶解;将200ml的对氯苯基异氰酸酯的N,N’-二甲基甲酰胺溶液加入MWNT-COOH的N,N’-二甲基甲酰胺悬浮液中,用少许N,N’-二甲基甲酰胺溶剂冲洗烧杯,并将冲洗液加入上述的悬浮液中,超声2h,使得MWNTs-COOH与对氯苯基异氰酸酯完全反应,得到烷基化的多壁碳纳米管C18H37NHCO-CNTs。
(3)在烧瓶中加入25ml的N,N’-二甲基甲酰胺溶剂,通氮气脱氧保护,加入3.0036g二氨基二苯基甲烷,机械搅拌至完全溶解,分批加入3.2718g的均苯二硫酐,冰浴下搅拌4-6h,得到固含量为20%的浅黄色的聚酰胺酸(PAA)溶液。
(4)称取0.1883g烷基化的碳纳米管,放入样品瓶中,加入8ml的N,N’-二甲基甲酰胺溶剂,超声2h,使得碳纳米管分散在溶剂中,将烷基化的碳纳米管的N,N’-二甲基甲酰胺溶液加入到上述的PAA溶液中,再用2ml冲洗干净样品瓶,洗液也加入溶液中,冰浴下机械搅拌48h,得到3%的烷基化的碳纳米管/聚酰胺酸溶液。
(5)同实施例1中的(5),得到3%的烷基化的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。
实施例3
(1)同实施例1中的(1)。
(2)称取4g的MWNTs-COOH于500ml的容量瓶中,加入80mlN-甲基吡咯烷酮溶剂,超声30min;称取12g 3,4-二氯苯异氰酸酯于400ml的烧杯中,加入200ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂,搅拌至完全溶解;将200ml的3,4-二氯苯异氰酸酯的N-甲基吡咯烷酮溶液加入MWNT-COOH的N-甲基吡咯烷酮悬浮液中,用少许N-甲基吡咯烷酮溶剂冲洗烧杯,并将冲洗液加入上述的悬浮液中,超声2h,使得MWNTs-COOH与3,4-二氯苯异氰酸酯完全反应,得到烷基化的多壁碳纳米管。
(3)在烧瓶中加入25ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂,通氮气脱氧保护,加入3.0036g 4,4’-二氨基二苯硫醚,机械搅拌至完全溶解,分批加入3.2718g的联苯四甲酸二酐,冰浴下搅拌4-6h,得到固含量为20%的浅黄色的聚酰胺酸(PAA)溶液。
(4)称取0.3174g烷基化的碳纳米管,放入样品瓶中,加入8ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂,超声2h,使得碳纳米管分散在溶剂中,将烷基化的碳纳米管的N-甲基吡咯烷酮溶液加入到上述的PAA溶液中,再用2ml冲洗干净样品瓶,洗液也加入溶液中,冰浴下机械搅拌48h,得到5%的烷基化的碳纳米管/聚酰胺酸溶液。
(5)同实施例1中的(5),得到5%的烷基化的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。
实施例4
(1)同实施例1中的(1)。
(2)称取4g的MWNTs-COOH于500ml的容量瓶中,加入80ml二甲基亚砜溶剂,超声30min;称取12g环己基异氰酸酯于400ml的烧杯中,加入200ml的二甲基亚砜溶剂,搅拌至完全溶解;将200ml的环己基异氰酸酯的二甲基亚砜溶液加入MWNT-COOH的二甲基亚砜悬浮液中,用少许二甲基亚砜溶剂冲洗烧杯,并将冲洗液加入上述的悬浮液中,超声2h,使得MWNTs-COOH与环己基异氰酸酯完全反应,得到烷基化的多壁碳纳米管。
(3)在烧瓶中加入25ml的二甲基亚砜溶剂,通氮气脱氧保护,加入3.0036g 4,4’-二氨基二苯硫醚,机械搅拌至完全溶解,分批加入3.2718g的联苯四甲酸二酐,冰浴下搅拌4-6h,得到固含量为20%的浅黄色的聚酰胺酸(PAA)溶液。
(4)称取0.4393g烷基化的碳纳米管,放入样品瓶中,加入8ml的二甲基亚砜溶剂,超声2h,使得碳纳米管分散在溶剂中,将烷基化的碳纳米管的二甲基亚砜溶液加入到上述的PAA溶液中,再用2ml冲洗干净样品瓶,洗液也加入溶液中,冰浴下机械搅拌48h,得到7%的烷基化的碳纳米管/聚酰胺酸溶液。
(5)同实施例1中的(5),得到7%的烷基化的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。
实施例5
(1)同实施例1中的(1)。
(2)称取4g的MWNTs-COOH于500ml的容量瓶中,加入80ml N-甲基吡咯烷酮溶剂,超声30min;称取12g叔丁基异氰酸酯于400ml的烧杯中,加入200ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂,搅拌至完全溶解;将200ml的叔丁基异氰酸酯的N-甲基吡咯烷酮溶液加入MWNT-COOH的N-甲基吡咯烷酮悬浮液中,用少许N-甲基吡咯烷酮溶剂冲洗烧杯,并将冲洗液加入上述的悬浮液中,超声2h,使得MWNTs-COOH与叔丁基异氰酸酯完全反应,得到烷基化的多壁碳纳米管C18H37NHCO-CNTs。
(3)在烧瓶中加入25ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂,通氮气脱氧保护,加入3.0036g 4,4′-二氨基二苯醚(ODA),机械搅拌至完全溶解,分批加入3.2718g的4,4′-氧化二邻苯二甲酸二酐(ODPA),冰浴下搅拌4-6h,得到固含量为20%的浅黄色的聚酰胺酸(PAA)溶液。
(4)称取0.6275g烷基化的碳纳米管,放入样品瓶中,加入8ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂,超声2h,使得碳纳米管分散在溶剂中,将烷基化的碳纳米管的N-甲基吡咯烷酮溶液加入到上述的PAA溶液中,再用2ml冲洗干净样品瓶,洗液也加入溶液中,冰浴下机械搅拌48h,得到10%的烷基化的碳纳米管/聚酰胺酸溶液。
(5)同实施例1中的(5),得到10%的烷基化的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。

Claims (7)

1.一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)碳纳米管的功能化:
碳纳米管在浓硝酸和浓硫酸的混合酸中反应,50-60℃超声2-3h,40-80℃水浴中回流5-6h,冷却、洗涤、分离、干燥,得到酸化的碳纳米管;将酸化的碳纳米管与等摩尔的异氰酸酯在室温下反应,经超声、洗涤、干燥,得到异氰酸酯官能化的碳纳米管;
(2)聚酰胺酸的合成:
加入25-40ml的有机溶剂,通氮气脱氧保护,加入0.01-0.03mol的二胺单体,机械搅拌至完全溶解形成浓度为5%-30%的溶液,分批加入等摩尔的二酐单体,冰浴下搅拌4-6h,得到浅黄色的聚酰胺酸溶液;
(3)混合溶液的配制:
将异氰酸酯官能化的碳纳米管在有机溶剂中超声分散1-2h,得到百分比为0.1%-10%碳纳米管悬浮液,2-20ml的悬浮液加入到上述合成的25-60ml的聚酰胺酸溶液中,冰浴下机械搅拌36-48h,得聚酰胺酸混合溶液;
(4)复合材料的制备:
将上述混合溶液浇注在平板上,60℃下去除溶剂1h,在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃各保温1-2h进行热酰亚胺化,制得碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的碳纳米管是多壁碳纳米管、单壁碳纳米管或双壁碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的异氰酸酯是十八烷基异氰酸酯、对氯苯基异氰酸酯、3,4-二氯苯异氰酸酯、环己基异氰酸酯或叔丁基异氰酸酯。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中的有机溶剂是N,N’-二甲基甲酰胺、N,N’-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中的二胺单体是4,4′-二氨基二苯醚、二氨基二苯基甲烷、间苯二胺或4,4′-二氨基二苯硫醚。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中的二酐单体是均苯四甲酸二酐、均苯二硫酐、联苯四甲酸二酐、三苯双醚四甲酸二酐、3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐或4,4′-氧化二邻苯二甲酸二酐。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中功能化碳纳米管在该复合材料中的重量比例为0.1%~30%。
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20080514

Assignee: Jiangsu Aoshen New Material Co., Ltd.

Assignor: Donghua University

Contract record no.: 2013320000632

Denomination of invention: Method for preparing carbon nano-tube/polyimide composite material

Granted publication date: 20100707

License type: Exclusive License

Record date: 20130705

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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20100707

Termination date: 20161116