CN108456421A - 一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)制备氧化石墨烯；(2)制备功能化小分子N，N’‑二‑（4,6‑二氯‑[1,3,5]‑三嗪基）‑己二胺；(3)通过功能化小分子改性氧化石墨烯；(4)制备改性氧化石墨烯与聚酰亚胺复合材料。本发明利用改性氧化石墨烯作为无机填料，通过小分子改性后增强了氧化石墨烯与聚酰亚胺的相容性，利用原位聚合使改性氧化石墨烯均匀分散在聚酰亚胺中，有效地提高了材料的力学、电学以及热学性能。

Description

一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及聚酰亚胺复合材料及其制备领域，特别是涉及一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
聚酰亚胺材料是指主链上含有酰亚胺环结构的一类特殊的聚合物材料，由于分子结构上高度的规整性，因此聚酰亚胺具有良好的力学性能、热学性能以及化学稳定性，聚酰亚胺被广泛应用于航空航天、微电子、医疗器械等领域。同时，聚酰亚胺在使用过程中仍有一些缺点，例如在微电子领域中，聚酰亚胺作为柔性电路板材料的热膨胀系数较大。因此为了进一步提高聚酰亚胺的性能，合成聚酰亚胺复合材料是一个重要方向。
石墨烯是由碳原子通过sp2杂化形成的正六边形单原子层结构，分子结构稳定并且具有很大的长径比和比表面积，其具有优异的力学、热学以及电学性能，与聚酰亚胺之间具有很强的互补性。但是石墨烯在溶剂中的分散性能很差，与聚酰亚胺基体的相容性并不好。氧化石墨烯是一种石墨烯衍生物，是通过将石墨化学氧化剥离而制得，具有丰富的含氧官能团，通过将氧化石墨烯功能化合成改性氧化石墨烯，可提高其与聚酰亚胺基体的相容性，从而制得聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料，该材料在航空航天和微电子等领域具有重要应用价值。
发明内容
本发明以提高聚酰亚胺的综合性能为目的，提供了一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法，通过将氧化石墨烯改性提高了其与聚酰亚胺的相容性。本发明通过改性氧化石墨烯与聚酰亚胺的原位聚合，降低了聚酰亚胺材料的热膨胀系数，同时能有效提高材料的力学性能，使得该材料在航空航天和微电子领域具有重要应用价值。
为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。
一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备改性氧化石墨烯
将氧化石墨烯与功能化小分子溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在氮气氛围下搅拌反应，再抽滤，洗涤，干燥，得到改性氧化石墨烯；所述功能化小分子为N，N’-二-(4,6-二氯-[1,3,5]-三嗪基)-己二胺，化学结构式为
(2)制备聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料
将步骤(1)得到的改性氧化石墨烯分散于N,N-二甲基甲酰胺中，再加入4,4’-二氨基二苯醚，混合搅拌均匀；然后加入均苯四甲酸二酐，在氮气氛围下搅拌反应；再将反应后的溶液倒入模具中，使其中的有机溶剂挥发掉，最后放入马弗炉中逐步升温进行热亚胺化，得到聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料。
优选的，步骤(1)所述氧化石墨烯是通过改进的Hummers方法将石墨粉氧化剥离制备得到。
优选的，步骤(1)所述功能化小分子得制备包括以下步骤：在反应容器中加入4.6质量份的三聚氯氰和53质量份的二氯甲烷，并在冰水浴中混合搅拌10分钟。将1.5质量份的1,6-己二胺和1质量份的氢氧化钠溶于40质量份的去离子水中配制成混合溶液，然后将混合溶液逐滴加入到反应容器中，在冰水浴下搅拌反应4小时。通过减压蒸馏除去二氯甲烷，抽滤并通过去离子水洗涤多次，最后在50℃下真空干燥24小时，得到功能化小分子；所述的冰水浴条件下，反应容器内的温度应不超过10℃。
优选的，步骤(1)所述氧化石墨烯与功能化小分子的重量比为1:2-1:6。
优选的，步骤(1)所述搅拌反应的温度为75℃-95℃。
优选的，步骤(1)所述搅拌反应的时间为12-36小时。
优选的，步骤(1)所述洗涤是用二氯甲烷洗涤3-5次。
优选的，步骤(1)所述干燥是在60℃下真空干燥24小时。
优选的，步骤(2)所述4,4’-二氨基二苯醚与均苯四甲酸二酐的重量比为1:0.9-1:1.3。
优选的，步骤(2)所述混合搅拌的时间为30分钟。
优选的，步骤(2)所述搅拌反应的时间为8-16小时。
优选的，步骤(2)所述改性氧化石墨烯的加入量为聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料总质量的0.25-0.75％。
优选的，步骤(2)所述均苯四甲酸二酐是分成等量的三批每隔20分钟依次加入。
优选的，步骤(2)中挥发有机溶剂的温度为60℃。
优选的，步骤(2)所述热亚胺化是先在80-120℃下热处理0.5-1.5小时，然后在180-220℃下热处理0.5-1.5小时，最后在280-320℃下热处理0.5-1.5小时。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过功能小分子改性氧化石墨烯，提高了氧化石墨烯在溶液中的分散性，同时使氧化石墨烯与聚酰亚胺基体的相容性更好，所得聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料具有更优异的综合性能。
2、本发明所制备的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料具有较低的热膨胀系数，同时相对于聚酰亚胺的力学性能有明显增强。
3、本发明的合成过程工艺简单，易于操作，制得的复合材料在航空航天和微电子领域中有重要应用价值。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)制备氧化石墨烯
向反应容器中依次加入3.5g石墨粉、2.1g硝酸钠和79mL浓度为98.3wt％的浓硫酸，并将其置于冰水浴中搅拌40分钟。称取14g高锰酸钾，缓慢加入到反应容器中，于冰水浴下低温反应1小时。然后将反应容器升温至36℃中温反应2.5小时，随后将150mL去离子水逐滴加到其中，逐渐升温至98℃，高温下反应15分钟。将反应容器内的混合物倒入到装有245mL去离子水的烧杯中，加入浓度为30wt％过氧化氢溶液35mL，趁热抽滤，并用去离子水离心洗涤至中性，最后在50℃下干燥24小时，得到氧化石墨烯。
(2)制备功能化小分子
在反应容器中加入9.24g三聚氯氰和80mL的二氯甲烷，并在冰水浴中混合搅拌10分钟。将2.91g的1,6-己二胺和2.00g的氢氧化钠溶于80mL去离子水中配制成混合溶液，然后将混合溶液逐滴加入到所述反应容器中，在冰水浴下搅拌反应4小时。通过减压蒸馏除去二氯甲烷，抽滤并通过去离子水洗涤5次，最后在50℃下真空干燥24小时，得到功能化小分子。
(3)制备改性氧化石墨烯
将0.1g步骤(1)所得到的氧化石墨烯与0.4g步骤(2)所得到的功能化小分子溶于100mL的N,N’-二甲基甲酰胺中，升温至85℃，在氮气氛围下搅拌反应24小时，抽滤并用二氯甲烷洗涤4次，最后在60℃下真空干燥24小时，得到改性氧化石墨烯。
(4)制备改性氧化石墨烯与聚酰亚胺复合材料
将0.0085g步骤(3)所得到的改性氧化石墨烯分散于20.4mL的N,N’-二甲基甲酰胺中，再加入1.6346g的4,4’-二氨基二苯醚，混合搅拌30分钟。然后将1.7626g均苯四甲酸二酐分成等量的三批每隔20分钟依次加入到反应容器中，在氮气氛围下持续搅拌12小时。将反应后的溶液倒入模具中，在60℃下挥发掉其中的有机溶剂，最后放入马弗炉中进行热亚胺化，具体过程为先在100℃条件下热处理1小时，然后在200℃下热处理1小时，最后在300℃下热处理1小时，即可得到改性氧化石墨烯的质量分数为0.25％的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料。
本实施例制备的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的线性热膨胀系数为47.7ppm/℃，拉伸强度为128MPa。
实施例2
(1)制备氧化石墨烯(步骤同实施例1)。
(2)制备功能化小分子(步骤同实施例1)。
(3)制备改性氧化石墨烯(步骤同实施例1)。
(4)制备改性氧化石墨烯与聚酰亚胺复合材料
与实施例1不同之处在于：步骤(3)所得到的改性氧化石墨烯的加入量为0.0171g，最后得到改性氧化石墨烯的质量分数为0.5％的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料，其它步骤同实施例1。
本实施例制备的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的线性热膨胀系数为43.9ppm/℃，拉伸强度为121MPa。
实施例3
(1)制备氧化石墨烯(步骤同实施例1)。
(2)制备功能化小分子(步骤同实施例1)。
(3)制备改性氧化石墨烯(步骤同实施例1)。
(4)制备改性氧化石墨烯与聚酰亚胺复合材料
与实施例1不同之处在于：步骤(3)所得到的改性氧化石墨烯的加入量为0.0257g，最后得到改性氧化石墨烯的质量分数为0.75％的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料，其它步骤同实施例1。
本实施例制备的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的线性热膨胀系数为43.1ppm/℃，拉伸强度为122MPa。
比较例1
纯聚酰亚胺聚合物的制备：将1.6346g的4,4’-二氨基二苯醚溶于20.4mL的N,N’-二甲基甲酰胺中，混合搅拌30分钟。然后将1.7626g均苯四甲酸二酐分成等量的三批依次加入到反应容器中，在氮气氛围下持续搅拌12小时。将反应后的溶液倒入模具中，在60℃下挥发掉其中的有机溶剂，最后放入马弗炉中进行热亚胺化，具体过程为先在100℃条件下热处理1小时，然后在200℃下热处理1小时，最后在300℃下热处理1小时，即可得到纯聚酰亚胺材料。
本比较例制备的纯聚酰亚胺材料的线性热膨胀系数为51.3ppm/℃，拉伸强度为108MPa。
上述实施例和比较例证明：本发明所制备的聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料与纯的聚酰亚胺相比，拥有更低的线性热膨胀系数，使得该材料在微电子领域有重要应用价值，同时改性氧化石墨烯的加入对聚酰亚胺材料的力学性能有一定的增强作用。
以上内容仅为本发明的优选实施方式，不能认定本发明的具体实施只局限于这些方式，对于本发明所属技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明方法的前提下，可以对描述的实施方式做出改进和润饰，而这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备改性氧化石墨烯
将氧化石墨烯与功能化小分子溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在氮气氛围下搅拌反应，再抽滤，洗涤，干燥，得到改性氧化石墨烯；所述功能化小分子为N，N’-二-（4,6-二氯-[1,3,5]-三嗪基）-己二胺；
（2）制备聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料
将步骤(1)得到的改性氧化石墨烯分散于N,N-二甲基甲酰胺中，再加入4,4’-二氨基二苯醚，混合搅拌均匀；然后加入均苯四甲酸二酐，在氮气氛围下搅拌反应；再将反应后的溶液倒入模具中，使有机溶剂挥发掉，最后放入马弗炉中逐步升温进行热亚胺化，得到聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化石墨烯是通过改进的Hummers方法将石墨粉氧化剥离制备得到。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化石墨烯与功能化小分子的重量比为1:2-1:6。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述搅拌反应的温度为75℃-95℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述搅拌反应的时间为12-36小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述4,4’-二氨基二苯醚与均苯四甲酸二酐的重量比为1:0.9-1:1.3。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述搅拌反应的时间为8-16小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述改性氧化石墨烯的加入量为聚酰亚胺/改性氧化石墨烯复合材料总质量的0.25-0.75%。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述均苯四甲酸二酐是分成等量的三批每隔20分钟依次加入。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热亚胺化是先在80-120℃下热处理0.5-1.5小时，然后在180-220℃下热处理0.5-1.5小时，最后在280-320℃下热处理0.5-1.5小时。
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