CN102702744B

CN102702744B - 一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法

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Publication number: CN102702744B
Application number: CN 201210170436
Authority: CN
Inventors: 张庆新; 康超; 张焕焕; 于晓燕; 瞿雄伟
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN102702744A

Abstract

本发明一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法，该方法包括以下步骤：将等摩尔的芳香二胺和二酐于反应器中，再按照加入7.5-10L溶剂/摩尔二酐的配比加入溶剂，20℃下机械搅拌3-5小时，制得聚酰胺酸溶液，然后沉淀成膜，再洗去溶剂，干燥后剪切研磨成聚酰胺酸粉末，加入3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、芳香二胺单体，再加入混合粉末质量百分比数0.5%-3%的碳纳米管粉末，制备成聚酰胺酸/碳纳米管溶液，经热亚胺化得到聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料。本发明将聚酰胺酸由溶液中转变为固体，使碳纳米管均匀分散于聚酰胺酸中，再经热亚胺化制备成聚酰亚胺/碳纳米管复合材料，并达到良好的分散效果。

Description

一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法

技术领域

本发明属于高分子纳米复合材料制备领域，具体为一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法。

背景技术

做为耐热高分子材料中的一员，聚酰亚胺（PI）有着良好的介电性能、优异的机械性能、较高的玻璃化转变温度和突出的耐热性，因而广泛应用于微电子和航空航天等领域。作为一种新型的准一维功能材料，碳纳米管具有管径小、长径比大、低密度、超高的模量、强度等特点和性能。碳纳米管因其特性成为聚酰亚胺改性的首选一维纳米材料，为进一步提高聚酰亚胺的机械和热性能，聚酰亚胺纳米复合材料的制备成为研究热点。

然而，碳纳米管长径比大和具有很强的纳米效应，极易团聚和缠绕，在树脂中分散困难，制约了复合材料的发展。因此解决碳纳米管在聚酰亚胺中的分散是当前碳纳米管/聚酰亚胺复合材料研究中最核心的问题。聚酰亚胺米复合材料的常用制备方法有溶胶-凝胶法、原位聚合法及插层法，而聚酰亚胺/碳纳米管的制备方法多用原位聚合法，具体实施方有小分子或聚合物对碳纳米管的非共价化、碳纳米管的功能化、传统的机械方法（机械搅拌/或超声分散）等。

在之前的研究中，朱小影等采用混酸氧化法对碳纳米管进行表面修饰, 聚酰胺酸溶液与碳纳米管进行共混，并结合高速搅拌和超声分散手段来提高碳纳米管在聚酰亚胺中的分散性，然后热固化制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料（朱小影，张明艳，刁鹏鹤，王文佳，李晓东.聚酰亚胺/ 碳纳米管杂化薄膜电性能的研究,绝缘材料, 2011, 44(1), 47-49.）；罗冬冬等利用了聚酰胺酸溶液与碳纳米管进行共混，利用超声分散法解除碳纳米管的团聚问题，然后热固化制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料（罗冬冬,马春龙,闭其达,曾小金，刘洋.超声分散法制备聚酰亚胺_碳纳米管复合材料，中南民族大学学报(自然科学版), 2009, 28(2), 27-30.）；Liangwei Qu等利用氨基封端的聚酰亚胺在超声的作用下与碳纳米管上基团反应，达到对碳纳米管进行功能化的作用，制备聚酰亚胺/碳纳米管复合材料（Liangwei Qu, Yi Lin, Darron E. Hill, Bing Zhou. Polyimide-Functionalized Carbon Nanotubes: Synthesis and Dispersion in Nanocomposite Films, Macromolecules, 2004, 37, 6055-6060.）；Darron Hill等将聚酰亚胺引入羟基，与碳纳米管表面氧化的羧基发生酯化反应，从而达到固定碳纳米管的作用，来制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料（Darron Hill, Yi Lin, Liangwei Qu, Alex Kitaygorodskiy, John W. Connell, Lawrence F. Allard, and Ya-Ping Sun. Functionalization of Carbon Nanotubes with Derivatized Polyimide, Macromolecules, 2005, 38, 7670-7675.）。

上述的方法都是利用搅拌或超声振动的方法将碳纳米管分散于聚酰亚胺溶液或聚酰亚胺前驱体—聚酰胺酸溶液中，但是在有机溶剂中由于碳纳米管的缠结及团聚使碳纳米管很难达到均匀的分散，并且一般需要较长的时间的超声振动和搅拌，这样就需要提供较高的能量，还存在超声噪音。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的碳纳米管在聚酰亚胺中分散难以达到理想的效果、需要提供较高的能量，还存在超声噪音污染等不足，提供一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法。

该方法在制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料时，不用聚酰亚胺溶液或聚酰亚胺前躯体—聚酰胺酸溶液，而是首先将聚酰胺酸由液态溶液转变为固体，然后使碳纳米管混在固态聚酰胺酸粉末中，并利用固态高速搅拌进行共混，在高剪切作用力时，碳纳米管之间的范德华力及团聚、缠结被破坏，使碳纳米管均匀分散于粉末中，达到良好的分散效果。

本发明的技术方案为：

一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法，包括以下步骤：

将等摩尔的芳香二胺和二酐于反应器中，再按照加入7.5-10L溶剂/摩尔二酐的配比加入溶剂，20℃下机械搅拌3-5小时，制得聚酰胺酸溶液，反应完成后加等量的相同溶剂稀释；然后将稀释后的聚酰胺酸溶液倾入培养皿中，按照20-30L水/摩尔二酐的配比加入蒸馏水后聚酰胺酸沉淀成膜，再将膜用蒸馏水反复冲洗，以洗去溶剂，在100℃下通风干燥24小时；把干燥后的膜放于研磨机中高速剪切研磨成聚酰胺酸粉末，用所得聚酰胺酸粉末和3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、芳香二胺单体，按比例摩尔比3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐：芳香二胺＝1:1、聚酰胺酸粉末质量为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐与芳香二胺质量之和的50%混合得到混合粉末，再加入混合粉末质量百分比数0.5%-3%的碳纳米管粉末，混合粉末在研磨机中高速剪切分散，然后加入按照10L溶剂/摩尔二酐的配比加入溶剂，制备成聚酰胺酸/碳纳米管溶液，将溶液用平直的玻璃棒均匀涂在干净干燥的玻璃板上，100/150/200/250/300℃下各1小时热亚胺化，制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料。

所述溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮；

所述的二酐为均苯四甲酸二酐（PMDA）、3,4,3’,4’-联苯四羧二酐（s-BPDA）或3,3’,4,4’-二苯甲醚四羧二酐（ODPA）；

所述的芳香二胺为4,4’-二氨基二苯醚（4,4’-ODA）或3,4’-二氨基二苯醚（3,4’-ODA）。

所述的碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。

本发明与背景技术相比的优点在于：将聚酰胺酸（聚酰亚胺前驱体）由溶液中转变为固体，然后使碳纳米管混在固态聚酰胺酸粉末中，并利用固态高速搅拌进行共混，在高剪切作用力时，材料之间的范德华力被破坏，并且会切断一些缠结的长碳纳米管，会起到解缠结作用，使碳纳米管均匀分散于聚酰胺酸中，再经热亚胺化制备成聚酰亚胺/碳纳米管复合材料，并达到良好的分散效果。

附图说明

图1为传统方法制备碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料薄膜的照片；

图2为采用本专利固态剪切破碎法制备碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料薄膜的照片；

图3为实施例1中0.5wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片；

图4为实施例2中1.0wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片；

图5为实施例3中3.0wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片；

图6为实施例4中1.0wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

传统的方法制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料：

取一定量的碳纳米管粉末于25mL溶剂N,N-二甲基乙酰胺中，在室温下超声分散1小时（f=40KHz），然后加入2.0024g 4,4’-二氨基二苯醚单体，搅拌30min至4,4’-二氨基二苯醚全部溶解后，再加入2.1812g均苯四甲酸二酐，在20℃下反应15小时，并伴有剧烈搅拌。

15小时的反应结束后，用平直玻璃棒把聚酰胺酸/碳纳米管溶液涂于干净干燥的玻璃板上，放入马弗炉中，在100/150/200/250/300^oC下各约1小时的程序升温下进行热亚胺化，然后在温水中脱膜，并干燥。

图1为传统方法制备不同碳纳米管含量的聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料薄膜的照片，从图中可直观看出随着碳纳米管含量的增加，其在聚酰亚胺中的分散性逐渐变差，膜的透光性变差，碳纳米管能相对均匀的分散于整个薄膜之中，但局部还是有团聚现象，尤其是随含量增加，这种团聚更明显。这是碳纳米管经酸处理之后，表面接枝上羧基基团，在溶剂之中的分散性得到了提高，所以在低含量时，能相对均匀的分散于基质之中，但无机碳纳米管表面接枝有机的官能团数量是少量的，当溶液中碳纳米管含量增加后，这种接枝有机基团的分散优势就会被弱化，而产生缠结、团聚。

图2为本专利固态剪切破碎法制备不同碳纳米管含量的聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料薄膜的照片。从图中看出，当碳纳米管含量为0.5wt%时，薄膜的颜色已经变为黑色，含量再增加时颜色略微加深至不变，从图中看不出碳纳米管有明显团聚的现象。用本专利提供的固态剪切破碎法制备的复合薄膜，在不用超声辅助分散的情况下就能使碳纳米管较好的分散于聚合物基体之中，说明在剪切作用下，团聚的碳纳米管被分离，缠结状况有所改善，高剪切作用力还可使碳纳米管长度变短，在断裂口处产生能与聚合物基体相互作用的活性点，促使分散更均匀。

实施例1

取0.01摩尔的4,4’-二氨基二苯醚和0.01摩尔均苯四甲酸二酐于三口烧瓶中，按照7.5L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂N,N-二甲基乙酰胺75mL，20℃下机械搅拌3小时，制得聚酰胺酸溶液，反应完成后再加等量的相同溶剂稀释。将聚酰胺酸溶液倒于培养皿中，按照20L水/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入蒸馏水后聚酰胺酸沉淀成膜，再把膜用蒸馏水反复冲洗，以洗去溶剂，在100℃下通风干燥24小时。把干燥后的膜放于研磨机中高速研磨成粉末，用所得聚酰胺酸粉末和3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、4,4’-二氨基二苯醚单体，按比例（3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐与4,4’-二氨基二苯醚摩尔比1:1，聚酰胺酸粉末质量为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐+4,4’-二氨基二苯醚质量的50%）混合，再加入混合粉末0.5wt%含量的多壁碳纳米管（市售，30-50nm），混合粉末在研磨机中高速剪切研磨分散，然后按照10L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比在此加入溶剂—N,N-二甲基乙酰胺100ml，制备聚酰胺酸/多壁碳纳米管溶液，用平直的玻璃棒将溶液涂在干净干燥的玻璃板上，后放入马弗炉在100/150/200/250/300℃下各1小时的程序升温下进行热亚胺化，制备成0.5wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料。

图3为0.5wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片，图片中白色亮点为碳纳米管，从照片上可以看出，整体上来说碳纳米管在聚酰亚胺基体中分散均匀，并发生了解团聚，能以单根或几根碳纳米管的形式分散于聚酰亚胺基体中，有断裂的碳纳米管裸露在基体之外，裸露部分光滑，说明在受力情况下，基体中的碳纳米管先相对摩擦滑移再断裂，或缠绕的碳纳米管先被拉伸再断裂，断后的碳纳米管不全是裸露于表面，部分碳纳米管被基体聚合物包裹着，断面凹凸不平以致纳米复合材料的断面发生了变化。

实施例2

取0.01摩尔的4,4’-二氨基二苯醚和0.01摩尔均苯四甲酸二酐于三口烧瓶中，按照10L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂N,N-二甲基乙酰胺100mL，20℃下机械搅拌3小时，制得聚酰胺酸溶液，反应完成后加等量的相同溶剂稀释。将聚酰胺酸溶液倒于培养皿中，按照20L水/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入蒸馏水后聚酰胺酸沉淀成膜，再把膜用蒸馏水反复冲洗，以洗去溶剂，在100℃下通风干燥24小时。把干燥后的膜放于研磨机中高速研磨成粉末，用所得聚酰胺酸粉末和3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、4,4’-二氨基二苯醚单体，按比例（3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐与4,4’-二氨基二苯醚摩尔比1:1，聚酰胺酸粉末质量为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐+4,4’-二氨基二苯醚质量的50%）混合，再分别加入混合粉末1.0wt%含量的多壁碳纳米管（市售，30-50nm），混合粉末在研磨机中高速剪切研磨分散，然后按照10L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂—N,N-二甲基乙酰胺，制备聚酰胺酸/多壁碳纳米管溶液，用平直的玻璃棒将溶液涂在干净干燥的玻璃板上，后放入马弗炉在100/150/200/250/300℃下各1小时的程序升温下进行热亚胺化，制备成聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料。

图4为1.0wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片，从照片上可以看出，碳纳米管在聚酰亚胺中无缠结，分散良好。

实施例3

取0.01摩尔的4,4’-二氨基二苯醚和0.01摩尔均苯四甲酸二酐于三口烧瓶中，按照7.5L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂N,N-二甲基乙酰胺75mL，20℃下机械搅拌3小时，制得聚酰胺酸溶液，反应完成后加等量的相同溶剂稀释。将聚酰胺酸溶液倒于培养皿中，按照30L水/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入蒸馏水后聚酰胺酸沉淀成膜，再把膜用蒸馏水反复冲洗，以洗去溶剂，在100℃下通风干燥24小时。把干燥后的膜放于研磨机中高速研磨成粉末，用所得聚酰胺酸粉末和3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、4,4’-二氨基二苯醚单体，按比例（3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐与4,4’-二氨基二苯醚摩尔比1:1，聚酰胺酸粉末质量为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐+4,4’-二氨基二苯醚质量的50%）混合，再分别加入混合粉末3.0wt%含量的多壁碳纳米管（市售，30-50nm），混合粉末在研磨机中高速剪切研磨分散，然后按照10L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂—N,N-二甲基乙酰胺，制备聚酰胺酸/多壁碳纳米管溶液，用平直的玻璃棒将溶液涂在干净干燥的玻璃板上，后放入马弗炉在100/150/200/250/300℃下各1小时的程序升温下进行热亚胺化，制备成聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料。

图5为3.0wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片，从照片上可以看出，碳纳米管在聚酰亚胺中无缠结，分散良好。

实施例4

取0.01摩尔的4,4’-二氨基二苯醚和0.01摩尔均苯四甲酸二酐于三口烧瓶中，按照8L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂N,N-二甲基乙酰胺80mL，20℃下机械搅拌5小时，制得聚酰胺酸溶液，反应完成后加等量的相同溶剂稀释。将聚酰胺酸溶液倒于培养皿中，按照30L水/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入蒸馏水后聚酰胺酸沉淀成膜，再把膜用蒸馏水反复冲洗，以洗去溶剂，在100℃下通风干燥24小时。把干燥后的膜放于研磨机中高速研磨成粉末，用所得聚酰胺酸粉末和3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、4,4’-二氨基二苯醚单体，按比例（3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐与4,4’-二氨基二苯醚摩尔比1:1，聚酰胺酸粉末质量为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐+4,4’-二氨基二苯醚质量的50%）混合，再加入混合粉末1.0wt%含量的多壁碳纳米管（市售，30-50nm），混合粉末在研磨机中高速剪切研磨分散，然然后按照10L溶剂/摩尔均苯四甲酸二酐的配比加入溶剂—N,N-二甲基乙酰胺，制备聚酰胺酸/多壁碳纳米管溶液，用平直的玻璃棒将溶液涂在干净干燥的玻璃板上，后放入马弗炉在100/150/200/250/300℃下各1小时的程序升温下进行热亚胺化，制备成1wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料。

图6为1.0wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/多壁碳纳米管纳米复合材料扫描电子显微镜照片，从照片上可以看出，碳纳米管在聚酰亚胺中无缠结，分散良好。

实施例5

采用单壁碳纳米管制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料，实施步骤同实施例4，最后得到1wt%碳纳米管含量的聚酰亚胺/单壁碳纳米管纳米复合材料，其分散效果与实施例4所得产品基本相同。

Claims

1.一种制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法，其特征为包括以下步骤：

将等摩尔的芳香二胺和二酐于反应器中，再按照加入7.5-10L溶剂/摩尔二酐的配比加入溶剂，20℃下机械搅拌3-5小时，制得聚酰胺酸溶液，反应完成后加等量的相同溶剂稀释；然后将稀释后的聚酰胺酸溶液倾入培养皿中，按照20-30L水/摩尔二酐的配比加入蒸馏水后聚酰胺酸沉淀成膜，再将膜用蒸馏水反复冲洗，以洗去溶剂，在100℃下通风干燥24小时；把干燥后的膜放于研磨机中高速剪切研磨成聚酰胺酸粉末，用所得聚酰胺酸粉末和3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐单体、芳香二胺单体，按比例摩尔比3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐：芳香二胺＝1:1、聚酰胺酸粉末质量为3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐与芳香二胺质量之和的50%混合得到混合粉末，再加入混合粉末质量百分比数0.5%-3%的碳纳米管粉末，混合粉末在研磨机中高速剪切分散，然后加入按照10L溶剂/摩尔二酐的配比加入溶剂，制备成聚酰胺酸/碳纳米管溶液，将溶液用平直的玻璃棒均匀涂在干净干燥的玻璃板上，100/150/200/250/300℃下各1小时热亚胺化，制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料；

所述溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

2.如权利要求1所述的制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法，其特征为所述的二酐为均苯四甲酸二酐（PMDA）、3,4,3’,4’-联苯四羧二酐（s-BPDA）或3,3’,4,4’-二苯甲醚四羧二酐（ODPA）。

3.如权利要求1所述的制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法，其特征为所述的芳香二胺为4,4’-二氨基二苯醚（4,4’-ODA）或3,4’-二氨基二苯醚（3,4’-ODA）。

4.如权利要求1所述的制备聚酰亚胺/碳纳米管纳米复合材料的方法，其特征为所述的碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。