CN109401314B - 一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，将石墨烯加入到含超支化分散剂的酰胺类溶剂中，在超声波作用下，得到石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系；将二元胺和二元酐单体在酰胺类溶剂中经缩合聚合制得聚酰胺酸溶液；在机械搅拌作用下将所得石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系缓慢加入聚酰胺酸溶液中，持续机械使石墨烯在聚酰胺酸溶液中充分分散，得到聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系。将所得复合体系铺膜，使溶剂挥发，得到聚酰胺酸/石墨烯复合物后升温进行亚胺化，获得石墨烯/聚酰亚胺复合材料。本发明制备的石墨烯/聚酰亚胺复合材料，不破坏石墨烯的结构，石墨烯可在聚酰亚胺中均匀分散且与基体相容性良好。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物基复合材料技术领域，具体是一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法。
背景技术
聚酰亚胺是以酰胺环为特征结构的杂环高分子聚合物绝缘材料。作为一种特种工程材料，聚酰亚胺没有明显熔点，热膨胀系数小，在温度200-400℃范围内电气性能、力学性能、耐热性能和耐辐射性能优异，综合性能良好，广泛应用于航天、电子、液晶等领域。将聚酰亚胺与石墨烯复合制成复合材料，可提高导电和导热性能，扩大聚酰亚胺的应用范围。
石墨烯具有较大的比表面积和优良的电子传导性能，并且有很好的透光性、导热性，可以有效改善复合材料的力学性能、热学性能，以及电学性能，是一种用途极其广泛的新材料。因石墨烯是典型的片状结构，在与聚合物基体复合过程中易造成片状结构的褶皱，并且石墨烯片层间有强的范德华力，导致石墨烯在聚合物基体中分散性差。此外，因石墨烯表面特殊的离域大π键结构，其表面官能团很少，因而与聚合物的相容性差。基于此，需要对石墨烯进行表面改性，以提高其在聚酰亚胺基体中的分散性及与基体的相容性。
传统的对石墨烯表面改性的方法包括：
（1）混合添加，采用片状/球状材料复合利于分散，如石墨烯/硫酸钡；
（2）偶联剂对石墨烯表面处理，如硅烷偶联剂、有机胺等对石墨烯表面功能化；
（3）表面活性剂处理处理石墨烯表面，如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等。
（4）对石墨烯表面进行化学处理，在其表面引入官能团。
由于石墨烯特殊的表面结构，传统的添加表面改性剂的改性方法（物理法），并不能有效提高石墨烯在聚合物基体中的分散性及与基体的相容性，目前报道较多的石墨烯改性方法是化学改性法，即在其表面引入官能团，以提高石墨烯与聚合物基体的相容性及在基体中的分散性。其基本策略是，以天然石墨在浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾等试剂作用下制得氧化石墨烯，利用水合肼还原制得还原氧化石墨烯。这种方式的石墨烯改性，使石墨烯表面拥有了大量含氧官能团，使得石墨烯的分散性变得优良，但是表面官能团的引入会破坏石墨烯的离域大π键结构，导致导电性和导热性下降，而且过程繁琐并大量使用危险药品，不符合绿色化学的要求。
本发明以超支化分散剂对石墨烯进行表面物理改性，可有效改善石墨烯在聚酰亚胺中的分散性及与聚酰亚胺的相容性。
超支化分散剂是一种特殊的表面活性剂，分子结构含有两个基团，分别是在溶解性和极性上相对，其中一个基团为亲水基，是较短的极性基，另一个基团为疏水基，为长链的有机基团。其分子结构特点使其很容易定向排列在物质表面或两相界面上，降低界面张力，对极性分散体系有很好的分散效果，同时与大多数的聚合物相容性良好。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，该方法不破坏石墨烯的结构，石墨烯在聚酰亚胺中的分散效果好，且制备出的石墨烯/聚酰亚胺复合材料导电和导热性能好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯表面改性：将石墨烯加入含超支化分散剂的酰胺类溶剂中，在超声波作用下，使石墨烯充分分散，得到石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系；
（2）按摩尔比为1：1.01~1.04取二元胺单体和二元酐单体，先将二元胺单体溶于酰胺类溶剂中，控制反应温度为20-40℃，分批加入二元酐单体，待二元酐单体全部加入后，继续搅拌1.5-3h，制得聚酰胺酸溶液；
（3）在机械搅拌作用下，将步骤（1）所得的石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系，缓慢加入步骤（2）得到的聚酰胺酸溶液中，持续机械搅拌，使石墨烯在聚酰胺酸溶液中充分分散，得到聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系；
（4）将步骤（3）得到的聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系铺膜，使溶剂挥发，得到聚酰胺酸/石墨烯复合物后升温进行亚胺化，制得石墨烯/聚酰亚胺复合材料。
步骤（1）中，石墨烯与含有超支化分散剂的酰胺类溶剂的质量之比为1:100-300，超支化分散剂与酰胺类溶剂的体积之比为1:300-500。
步骤（2）中，二元胺单体和二元酐单体的质量总和与酰胺类溶剂的质量之比为1:5-7。
步骤（4）中，所述的亚胺化，时间为1-3h，温度为260-300℃。
所述的超支化分散剂为端基为羧基、羟基、胺基、酰胺基的聚酯类超支化分散剂、聚酰胺类超支化分散剂、聚醚类超支化分散剂、聚氨酯类超支化分散剂、聚丙烯酸酯类超支化分散剂的一种。
所述的酰胺类溶剂为N-N’-二甲基甲酰胺、N-N’-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
所述的二元胺单体为4,4’-二氨基二苯醚、2,2’-双（4-氨基苯氧基苯基）丙烷、2-（对氨基苯基-苯并恶唑）5-氨中的一种。
所述的二酐单体为均苯四甲酸二酐、二苯醚四甲酸二酐，3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐或双酚A型二醚二酐中的一种。
本发明提供一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，该方法用超支化分散剂将石墨烯在酰胺类溶剂中进行物理改性，操作简单，且没有破坏石墨烯的结构，改性后的石墨烯能均匀分散在聚酰亚胺中，分散效果好，与聚酰亚胺具有良好的相容性；将改性后的石墨烯均匀分散到聚酰胺酸溶液中，亚胺化后得到的石墨烯/聚酰亚胺复合材料有良好的热稳定性和优良的导电性。
附图说明
图1为实施例1未改性石墨烯的石墨烯/聚酰亚胺复合材料薄膜的SEM照片；
图2为实施例2石墨烯/聚酰亚胺复合材料薄膜的SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例1：
一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将0.1000g石墨烯加入到20mL N-N’-二甲基乙酰胺中，在超声波作用下，使石墨烯充分分散，得到石墨烯/酰胺类溶剂体系；
（2）称取0.4000g 4,4’-二氨基二苯醚和1.0712g双酚A型二醚二酐，将4,4’-二氨基二苯醚溶于10mLN-N’-二甲基乙酰胺中，反应温度为20-40℃，分批加入双酚A型二醚二酐，待双酚A型二醚二酐全部加入后，继续搅拌1.5-3h，制得聚酰胺酸溶液；
（3）在机械搅拌作用下，将步骤（1）所得的石墨烯/酰胺类溶剂体系，取5.76mL缓慢加入步骤（2）得到的聚酰胺酸溶液中，持续机械搅拌，使石墨烯在聚酰胺酸溶液中充分分散，得到聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系；
（4）将步骤（3）得到的聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系铺膜，升温至90℃使溶剂挥发，得到聚酰胺酸/石墨烯复合物后升温至290℃进行亚胺化2h，制得石墨烯/聚酰亚胺复合材料。
（5）用SEM观察所得石墨烯/聚酰亚胺复合材料的形貌。试验结果如图1所示。
实施例2
一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯表面改性：将0.1000g石墨烯加入到含0.05mL超支化分散剂SilokDispers 7455的20mL N-N’-二甲基乙酰胺中，在超声波作用下，使石墨烯充分分散，得到石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系；
（2）称取0.4000g 4,4’-二氨基二苯醚和1.0712g双酚A型二醚二酐，将4,4’-二氨基二苯醚溶于10mL N-N’-二甲基乙酰胺中，反应温度为20-40℃，分批加入双酚A型二醚二酐，待双酚A型二醚二酐全部加入后，继续搅拌1.5-3h，制得聚酰胺酸溶液；
（3）在机械搅拌作用下，将步骤（1）所得的石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系，取5.76mL缓慢加入步骤（2）得到的聚酰胺酸溶液中，持续机械搅拌，使石墨烯在聚酰胺酸溶液中充分分散，得到聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系；
（4）将步骤（3）得到的聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系铺膜，升温至90℃使溶剂挥发，得到聚酰胺酸/石墨烯复合物后升温至290℃进行亚胺化2h，制得石墨烯/聚酰亚胺复合材料。
（5）用SEM观察所得石墨烯/聚酰亚胺复合材料的形貌，试验结果如图2所示。
实施例3
一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）石墨烯表面改性：将0.1000g石墨烯加入到含0.05mL超支化分散剂SilokDispers 7455的20mL N-N’-二甲基乙酰胺中，在超声波作用下，使石墨烯充分分散，得到石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系；
（2）称取0.8200g 2,2’-双（4-氨基苯氧基苯基）丙烷和0.6386g二苯醚四甲酸二酐，将2,2’-双（4-氨基苯氧基苯基）丙烷溶于10mLN-N’-二甲基乙酰胺中，反应温度为20-40℃，分批加入二苯醚四甲酸二酐，待二苯醚四甲酸二酐全部加入后，继续搅拌1.5-3h，制得聚酰胺酸溶液；
（3）在机械搅拌作用下，将步骤（1）所得的石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系，取5.76mL缓慢加入步骤（2）得到的聚酰胺酸溶液中，持续机械搅拌，使石墨烯在聚酰胺酸溶液中充分分散，得到聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系；
（4）将步骤（3）得到的聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系铺膜，升温至90℃使溶剂挥发，得到聚酰胺酸/石墨烯复合物后升温至290℃进行亚胺化2h，制得石墨烯/聚酰亚胺复合材料。
Claims (5)
1.一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）石墨烯表面改性：将石墨烯加入含超支化分散剂的酰胺类溶剂中，在超声波作用下，使石墨烯充分分散，得到石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系；
（2）按摩尔比为1：1.01~1.04取二元胺单体和二元酐单体，先将二元胺单体溶于酰胺类溶剂中，控制反应温度为20-40℃，分批加入二元酐单体，待二元酐单体全部加入后，继续搅拌1.5-3h，制得聚酰胺酸溶液；
（3）在机械搅拌作用下，将步骤（1）所得的石墨烯/超支化分散剂/酰胺类溶剂体系，缓慢加入步骤（2）得到的聚酰胺酸溶液中，持续机械搅拌，使石墨烯在聚酰胺酸溶液中充分分散，得到聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系；
（4）将步骤（3）得到的聚酰胺酸/石墨烯/酰胺类溶剂复合体系铺膜，使溶剂挥发，得到聚酰胺酸/石墨烯复合物后升温进行亚胺化，制得石墨烯/聚酰亚胺复合材料；
步骤（1）中，石墨烯与含有超支化分散剂的酰胺类溶剂的质量之比为1:100-300，超支化分散剂与酰胺类溶剂的体积之比为1:300-500；
步骤（2）中，二元胺单体和二元酐单体的质量总和与酰胺类溶剂的质量之比为1:5-7；
步骤（4）中，所述的亚胺化，时间为1-3h，温度为260-300℃。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的超支化分散剂为端基为羧基、羟基、胺基、酰胺基的聚酯类超支化分散剂、聚酰胺类超支化分散剂、聚醚类超支化分散剂、聚氨酯类超支化分散剂、聚丙烯酸酯类超支化分散剂的一种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的酰胺类溶剂为N,N -二甲基甲酰胺、N,N -二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的二元胺单体为4,4’-二氨基二苯醚、2,2’-双（4-氨基苯氧基苯基）丙烷、2-（对氨基苯基-苯并恶唑）- 5-胺 中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于，所述的二酐单体为均苯四甲酸二酐、二苯醚四甲酸二酐，3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐或双酚A型二醚二酐中的一种。
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