CN105273403A - 一种高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高电导率的聚酰亚胺/石墨烯复合材料及其制备方法,该制备方法以未经过任何改性的聚酰亚胺微球和氧化石墨烯为原料,首先制备聚酰亚胺/氧化石墨烯核壳结构复合微球,然后采用化学还原的方法得到聚酰亚胺/还原氧化石墨烯复合微球,最后将聚酰亚胺/还原氧化石墨烯复合微球热压成型,得到高电导率的聚酰亚胺/石墨烯复合材料。本发明工艺简单,环保无污染,制备的复合材料电导率高,适于工业化的大量生产。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料及其制备的技术领域。具体涉及一种高电导率的聚酰亚胺-石墨烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺(PI)是一类含有酰亚胺环的芳香族聚合物,具有耐高温、耐腐蚀、机械性能优异的特点,广泛应用于微电子器件,航空航天,汽车制造,气体分离,胶黏剂等领域。在电子器件、航空航天等特殊领域,要求聚酰亚胺材料具有抗静电或电磁屏蔽的性能。
石墨烯(GNPs)是一种具有平面二维结构的碳材料,具有优异导电和导热性能(其零宽带载流子迁移率为200000cm2v-1s-1,热导率高达到5000W/mk),还具有大比表面积(2630m2/g),高透明性和良好的机械性能(杨氏模量约为1.0TPa,断裂伸长率能达到20%),被广泛应用于电子器件、生物传感器、透明导电薄膜、复合材料等领域。
PI/GNPs复合材料具有优异的电学性能和机械性能,提高石墨烯在聚酰亚胺基体中的分散程度,是提高复合材料导电性能的重要途径之一。目前国内外制备PI/GNPs导电复合材料时,多采用原位复合、溶液复合或熔融共混的方法。然而,现有技术主要存在以下缺点:(1)为了将石墨烯均匀分散于聚合物基体中,需要对石墨烯进行改性,功能基团的引入会破坏石墨烯的规整性,降低石墨烯的导电性能,此外功能基团的热稳定性普遍较差,会降低聚酰亚胺的热稳定性;(2)原位复合或溶液复合需要大量溶剂,工艺繁琐,成本高,不利于环保;(3)采用熔融共混,石墨烯难以有效分散,复合材料的导电性能较差。简言之,现有技术并不能兼顾石墨烯的分散性以及复合材料的导电性能。
针对上述缺点,有必要开发新技术来加以解决。中国专利CN104194335A公布了一种PI/GNPs复合材料的制备方法,通过高速搅拌先制备PI/GNPs复合粒子,然后再采用模压的方法制备了PI/GNPs复合材料,该方法可以在不加任何溶剂的情况下制备高电导率PI/GNPs复合材料,且所用石墨烯未经过任何改性,方法简单环保。但是此发明所制备的复合材料依然存在渗滤阀值较高的缺点。
发明内容
本发明提供了一种高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料及其制备方法,该制备方法有效地降低了聚酰亚胺-石墨烯复合材料的渗透阈值。
一种高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将氧化石墨烯分散液加到聚酰亚胺微球分散液中,进行包覆得到PI/GO微球分散液;
(2)向步骤(1)得到的PI/GO微球分散液中加入还原剂进行还原反应,反应完全后经过后处理得到PI/rGO复合微球;
(3)将步骤(2)得到的PI/rGO复合微球进行模压成型得到所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料。
该制备方法首先以聚酰亚胺微球和氧化石墨烯(GO)为原料制备PI/GO核壳结构复合微球,然后通过化学还原的方法将氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯(r-GO),得到PI/r-GO核壳结构复合微球,最后采用模压的方法将复合微球热压成型,其中,聚酰亚胺微球表面未经过任何改性,氧化石墨烯也没有经过任何接枝改性。
该制备方法主要利用聚酰亚胺与氧化石墨烯之间的氢键相互作用与π-π相互作用,以去离子水或乙醇为分散剂,以水合肼、氢碘酸或其他化学还原剂原位还原氧化石墨烯来制备,可以有效地控制石墨烯在聚酰亚胺基体中的网络结构,由本发明制备的PI/r-GO复合材料,石墨烯呈现为高度三维有序的网络结构,可大大提高复合材料的导电性能。
作为优选,所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料,按质量百分比计,原料组成如下:
聚酰亚胺微球90.0~99.9%
氧化石墨烯0.1~10%。
本发明所述的聚酰亚胺微球为自制微球,通过再沉淀法制备。原料为可溶性聚酰亚胺,可以是商业化的聚酰亚胺,如HI-P-100(吉林高琦聚酰亚胺材料有限公司)、Ultem1000P(沙特基础工业公司)、YZPI(南京岳子化工有限公司)。所述的聚酰亚胺微球分散液的溶剂为水或乙醇,采用搅拌的方式进行分散,浓度为0.1~10%。作为优选,所述的聚酰亚胺微球的平均粒径为0.1~10μm,其中,所述的聚酰亚胺微球的表面未经过改性或修饰。本发明所述的PI微球的制备方法如下:
首先将聚酰亚胺加入到90℃的N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中搅拌溶解,再加入同等含量的聚乙烯醇(PVA)搅拌溶解,得到PI/PVA混合液。然后以去离子水为溶剂,配置PVA水溶液,固含量与聚酰亚胺溶液的固含量保持相同。在90℃反应条件下,将聚乙烯醇水溶液逐滴加入到剧烈搅拌的聚酰亚胺溶液中,即得到聚酰亚胺微球悬浮液。离心过滤,清洗3~5次,120℃烘干,即得到聚酰亚胺微球。
聚酰亚胺与聚乙烯醇在DMAc中的浓度优选为0.1~50mg/ml。制备的聚酰亚胺微球平均粒径在0.1~10μm.
本发明所述的氧化石墨烯为自制氧化石墨烯。首先通过经典的hummers法制备氧化石墨(具体制备方法可参见:JournaloftheAmericanChemicalSociety1958;80:1339),再将氧化石墨超声分散1h得到氧化石墨烯。所述的氧化石墨烯分散液的溶剂为水或乙醇,采用超声的方式进行分散,浓度为0.01~1%。作为优选,所述的氧化石墨烯为单层或多层氧化石墨烯,直径为0.1~10μm,厚度为1~10nm,比表面积为10~1000m2/g,其中,所述的氧化石墨烯未经接枝改性。
步骤(1)中,包覆的温度为10~90℃,包覆的时间为1~8h。其中,包覆温度优选为10~30℃,包覆时间优选为1~2h。
作为优选,步骤(2)中,所述的还原剂为维生素C、水合肼、苯肼、氢碘酸、硼氢化钠和氢化铝锂中的一种或几种。
作为优选,步骤(2)中,还原反应进行之前先加入去离子水对PI/GO微球分散液进行稀释。
步骤(2)中,所述的还原反应的温度为25~100℃,还原反应的时间为8~24小时。其中,还原反应的温度优选为80~100℃,还原反应的时间优选为12~24h。
步骤(2)中,后处理包括:离心洗涤3~5次,除去未反应掉的水合肼,即得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
步骤(3)中,模压成型可采用冷压法或热压法。
冷压法操作如下:
将PI/r-GO复合微球置于模具之中,在室温下通过一定压力将材料模压成型,然后将所得材料在一定温度下处理一段时间,得到PI/GNPs复合材料。
热压法操作如下:
将PI/r-GO复合微球置于模具之中,加热到一定温度,在一定压力下保持一定时间,得到PI/GNPs复合材料。
作为优选,步骤(3)中,所述的模压成型的加热温度为220~300℃,压力为100~2000MPa,保压时间为30~120min。
本发明优选热压法操作制备聚酰亚胺-石墨烯复合材料。
本发明还提供了一种高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料,由所述的制备方法制备得到。在聚酰亚胺-石墨烯复合材料中,高度有序的石墨烯三维网络结构极大的提高了复合材料的电导率,复合材料的渗滤阀值低于0.2wt%。当石墨烯含量≥0.2wt%时,复合材料的电导率≥10-5S/m。
同现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
(1)无需对聚酰亚胺进行特殊改性与结构设计,也无需对石墨烯进行特殊改性,简化了工艺,同时避免了改性基团对聚酰亚胺基体热稳定性的影响。
(2)复合微球的制备过程中不采用有毒有机溶剂,所用分散剂为去离子水或乙醇,环保无污染。
(3)采用热压成型的工艺制备复合材料,成型方法简单实用,适于工业化生产,同时得到的聚酰亚胺/石墨烯复合材料电导率高。
附图说明
图1为实施例1~6得到的聚酰亚胺/还原氧化石墨烯核壳结构材料扫描电子显微镜图,其中(a)为实施例1得到的PI/r-GO复合微球,(b)为实施例2得到的PI/r-GO复合微球,(c)为实施例3得到的PI/r-GO复合微球,(d)为实施例4得到的PI/r-GO复合微球,(e)为实施例5得到的PI/r-GO复合微球,(f)为实施例6得到的PI/r-GO复合微球。
图2为聚酰亚胺以及实施例1~6所得到的复合材料的电导率的变化情况。
具体实施方式
实施例1
将0.6g自制聚酰亚胺微球加入到100ml单口烧瓶中,加入54g去离子水,搅拌分散均匀,得到聚酰亚胺微球分散液。将0.6mg自制氧化石墨烯(具体制备方法参见:JournaloftheAmericanChemicalSociety1958;80:1339),加入到6g去离子水中,超声分散1h,得到氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液缓慢加入到聚酰亚胺微球分散液中,25℃搅拌1h,得到氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球分散液。接着,往溶液中加入0.02g水合肼,将反应液加热至90℃,反应24h。离心洗涤3次,得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
其中,聚酰亚胺微球的制备方法如下:
(1)将聚酰亚胺加入到90℃的N,N-二甲基乙酰胺中搅拌溶解,再加入聚乙烯醇搅拌溶解,得到PI/PVA混合液,其中,聚酰亚胺与聚乙烯醇的浓度都为5mg/ml。
(2)以去离子水为溶剂,配置PVA水溶液,浓度为5mg/ml。
(3)在90℃反应条件下,将聚乙烯醇水溶液逐滴加入到剧烈搅拌的PI/PVA混合液中,即得到聚酰亚胺微球悬浮液。离心过滤,清洗3~5次,120℃烘干,即得到聚酰亚胺微球,得到的聚酰亚胺微球平均粒径在1μm左右。
扫描电子显微镜显示,微球表面被少量包覆一层石墨烯,拉曼光谱峰上PI特征峰强度减弱。
将PI/r-GO核壳结构微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
对比例1
将未包覆石墨烯的PI微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
实施例2
将0.6g自制聚酰亚胺微球加入到100ml单口烧瓶中,加入48g去离子水,搅拌分散均匀,得到聚酰亚胺微球分散液。将1.2mg自制氧化石墨烯,加入到6g去离子水中,超声分散1h,得到氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液缓慢加入到聚酰亚胺微球分散液中,25℃搅拌1h,得到氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球分散液。接着,往溶液中加入0.04g水合肼,将反应液加热至90℃,反应24h。离心洗涤3次,得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
扫描电子显微镜显示,微球表面被少量包覆一层石墨烯,拉曼光谱峰上PI特征峰强度减弱。
将PI/r-GO核壳结构微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
实施例3
将0.6g自制聚酰亚胺微球加入到100ml单口烧瓶中,加入42g去离子水,搅拌分散均匀,得到聚酰亚胺微球分散液。将1.8mg自制氧化石墨烯,加入到18g去离子水中,超声分散1h,得到氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液缓慢加入到聚酰亚胺微球分散液中,25℃搅拌1h,得到氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球分散液。接着,往溶液中加入0.05g水合肼,将反应液加热至90℃,反应24h。离心洗涤3次,得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
扫描电子显微镜显示,微球表面被少量包覆一层石墨烯,拉曼光谱峰上PI特征峰强度减弱。
将PI/r-GO核壳结构微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
实施例4
将0.6g自制聚酰亚胺微球加入到100ml单口烧瓶中,加入30g去离子水,搅拌分散均匀,得到聚酰亚胺微球分散液。将3mg自制氧化石墨烯,加入到30g去离子水中,超声分散1h,得到氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液缓慢加入到聚酰亚胺微球分散液中,25℃搅拌1h,得到氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球分散液。接着,往溶液中加入0.08g水合肼,将反应液加热至90℃,反应24h。离心洗涤3次,得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
扫描电子显微镜显示,微球表面被少量包覆一层石墨烯,拉曼光谱峰上PI特征峰强度进一步减弱。
将PI/r-GO核壳结构微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
实施例5
将0.6g自制聚酰亚胺微球加入到100ml单口烧瓶中,加入10g去离子水,搅拌分散均匀,得到聚酰亚胺微球分散液。将6mg自制氧化石墨烯,加入到50g去离子水中,超声分散1h,得到氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液缓慢加入到聚酰亚胺微球分散液中,25℃搅拌1h,得到氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球分散液。接着,往溶液中加入0.15g水合肼,将反应液加热至90℃,反应24h。离心洗涤3次,得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
扫描电子显微镜显示,微球表面被少量包覆一层石墨烯,拉曼光谱峰上PI特征峰几乎完全消失。
将PI/r-GO核壳结构微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
实施例6
将0.6g自制聚酰亚胺微球加入到100ml单口烧瓶中,加入10g去离子水,搅拌分散均匀,得到聚酰亚胺微球分散液。将12mg自制氧化石墨烯,加入到50g去离子水中,超声分散1h,得到氧化石墨烯分散液。然后将氧化石墨烯分散液缓慢加入到聚酰亚胺微球分散液中,25℃搅拌1h,得到氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球分散液。接着,往溶液中加入0.02g水合肼,将反应液加热至90℃,反应24h。离心洗涤3次,得到还原氧化石墨烯包覆的聚酰亚胺微球。
扫描电子显微镜显示,微球表面被少量包覆一层石墨烯,拉曼光谱峰上PI特征峰完全消失。
将PI/r-GO核壳结构微球置于模具中,在230℃,1000MPa压力下保压1h,得到PI/r-GO复合材料。
表1复合材料的电导率与石墨烯含量的关系
实施例 | 石墨烯含量(wt%) | 电导率S/m |
实施例1 | 0.1 | 1.3×10-11 |
对比例1 | 0 | 5.8×10-15 |
实施例2 | 0.2 | 1.5×10-5 |
实施例3 | 0.3 | 5.8×10-4 |
实施例4 | 0.5 | 2.6×10-3 |
实施例5 | 1 | 6.3×10-3 |
实施例6 | 2 | 1.4×10-2 |
从表1可以看出,复合材料的电导率随着石墨烯含量的增加而迅速增加,当石墨烯含量≥0.2wt%时,复合材料的电导率≥10-5S/m,由此可见,本发明的聚酰亚胺-石墨烯复合材料的渗透阈值明显降低。
Claims (10)
1.一种高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将氧化石墨烯分散液加到聚酰亚胺微球分散液中,进行包覆得到PI/GO微球分散液;
(2)向步骤(1)得到的PI/GO微球分散液中加入还原剂进行还原反应,反应完全后经过后处理得到PI/rGO复合微球;
(3)将步骤(2)得到的PI/rGO复合微球进行模压成型得到所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,按质量百分比计,原料组成如下:
聚酰亚胺微球90.0~99.9%
氧化石墨烯0.1~10%。
3.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,聚酰亚胺微球的平均粒径为0.1~10μm。
4.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,氧化石墨烯为单层或多层氧化石墨烯,直径为0.1~10μm,厚度为1~10nm,比表面积为10~1000m2/g。
5.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,包覆的温度为10~90℃,包覆的时间为1~8h。
6.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的还原剂为维生素C、水合肼、苯肼、氢碘酸、硼氢化钠和氢化铝锂中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,还原反应进行之前先加入去离子水对PI/GO微球分散液进行稀释。
8.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的还原反应的温度为25~100℃,还原反应的时间为8~24小时。
9.根据权利要求1所述的高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的模压成型的加热温度为220~300℃,压力为100~2000MPa,保压时间为30~120min。
10.一种高电导率聚酰亚胺-石墨烯复合材料,其特征在于,由权利要求1~9任一项所述的制备方法制备得到。
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