CN112851941B - 一种具有高效光热效应的聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法 - Google Patents

一种具有高效光热效应的聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高效太阳光光热效应的聚酰亚胺碳纳米管(PI/CNT)复合气凝胶的制备方法。我们通过将聚酰胺酸(PAA)与适宜比例的碳纳米管(CNT)混溶于水后，经冷冻‑干燥，程序升温热亚胺化后制备了具有高效太阳光光热效应的聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶。该方法制备得到的复合气凝胶具有优异的太阳光光热性能，无需其他能耗，仅在太阳光照射下即可获得显著升温，而且其具有极佳的热稳定性及力学性能，故而可作为光热材料应用于海水淡化，污水处理等技术领域。

Description

一种具有高效光热效应的聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制 备方法
技术领域
本发明公开了一种具有高效太阳光光热效应的复合气凝胶的制备方法，属于材料技术领域，特别涉及一种通过聚酰亚胺和碳纳米管复合制备具有高效太阳光光热效应气凝胶的方法。
背景技术
随着世界人口增长和现代化进程加快，世界能耗急剧增加，为了应对能源不足所带来的挑战，研究者们致力于开发各种环境友好材料。太阳光作为大自然取之无尽用之不竭的宝贵资源，在绿色节能领域得到了广泛研究。具有高效太阳光热效应的材料在无需外界能耗的条件下，仅凭太阳光照射即可获得显著的升温，在海水淡化、光热储能等众多领域有着广泛的应用，具有重要的学术及实用价值，符合可持续发展要求。
碳纳米管具有优异的近红外光热性能，有极佳的太阳光吸收率，且光热转换效率高，已经被广泛应用于太阳能电池、智能传感器以及探测设备等众多领域。聚酰亚胺是一种具有较好力学性能、优异热稳定性的高分子材料。通过合理的分子设计，也可以实现具有光热效应聚酰亚胺的制备，本发明通过将其与碳纳米管进行复合，制备了具有高效太阳光热效应的复合气凝胶，该复合材料不仅具备了优异的光热性能，同时具有较好的热稳定性和力学性能，故而拥有极高的应用价值。该制备方法仅通过简单的溶解与冻干过程，即将碳纳米管和聚酰亚胺的优势得到了充分结合，显著提高了太阳光光热效率，十分适用于太阳能水蒸发领域，极大地提高了能源利用率。
发明内容
本发明旨在提供一种具有高效太阳光光热效应的聚酰亚胺碳纳米管(PI/CNT)复合气凝胶的制备方法。该聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶由式Ⅰ所示的聚酰亚胺(PI)与碳纳米管(CNT)复合制得，其中，所述的碳纳米管的表面羧基百分含量为1％～5％。本发明的特点在于具有光热效应的二胺单体的引入，使得此类聚酰亚胺也具备一定的光热效应，该类聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的成功制备，赋予这类材料较好的光热性能、热稳定性以及优异的力学性能，从而实现其在海水淡化，污水处理等领域的应用。
本发明的技术方案为：
一种基于聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其中，其结构式如式Ⅰ所示：
Figure GDA0003597699050000021
所述式Ⅰ中，R1为式Ⅱ中的一种，R2为式Ⅲ中的一种：
Figure GDA0003597699050000022
Figure GDA0003597699050000031
值得说明的是，上述结构中的游离“－”，均表示连接端。
上述的聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用二酐和二胺制备聚酰胺酸(PAA)，所述的PAA结构如式Ⅳ所示
Figure GDA0003597699050000032
R1为式Ⅱ中的一种，R2为式Ⅲ中的一种；
(2)将所述PAA、CNT、三乙胺(TEA)溶于去离子水中，形成复合溶液；
(3)利用冷冻-干燥的方法，将PAA/CNT复合溶液通过冷冻，再利用冻干机干燥除水，形成PAA/CNT气凝胶；
(4)将所述的PAA/CNT气凝胶热亚胺化形成PI/CNT复合气凝胶。
进一步地，步骤(1)中，制备PAA包括如下几个步骤：
1)将二酐单体溶于非质子强极性溶剂中，搅拌形成均相溶液，分批加入二胺单体，0℃～10℃反应10h～24h，得到粘稠PAA溶液；
2)将所述粘稠PAA溶液中加入三乙胺，继续搅拌2h～10h，反应后得到可溶性PAA溶液；
3)将上述可溶性PAA溶液经过沉降处理后，经分离、洗涤、干燥后得到可溶性PAA固体。
其中，步骤1)所述的制备PAA的非质子强极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)。
进一步地，所述步骤(3)的冷冻方法为液氮冷冻或冰箱冷冻。
进一步地，所述步骤(3)的冻干除水时间为10h～24h。
进一步地，所述步骤(4)的热亚胺化过程为：空气中，加热到60℃～80℃维持0.5h～1h，然后继续加热到100℃～120℃维持0.5h～1h，160℃～180℃维持1h～2h，200℃～230℃维持1h～2h，250℃～280℃维持1h～2h。
本发明具有如下的技术效果：
本发明通过引入具有光热效应二胺单体，赋予本具有优异力学性能的聚酰亚胺一定的光热性能，然后充分结合利用碳纳米管的光热性能，构筑了具有高力学性能、优异热稳定性、高效太阳光光热效应的复合气凝胶。该复合气凝胶充分满足了太阳能水蒸发所需要的几要素，如太阳能吸收层、水运输管道、热障等，其无需外加能耗即可实现显著升温，可被应用于海水淡化及污水处理等领域，实现能源的高效利用。
附图说明
图1为实施例1中聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶及碳纳米管的实物图；
图2为实施例1中聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶红外图；
图3为实施例1中以聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶模拟太阳光升温图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
实施例1
一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶，其聚酰亚胺结构如式(Ⅴ)所示：
Figure GDA0003597699050000051
制备方法如下：
原料：均苯四甲酸二酐(PDMA)，(Z)-2,3-双(4-氨基苯基)丙烯腈(CNDA)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，去离子水，三乙胺，四氢呋喃，二氯甲烷。
(1)水溶性PAA的制备
在放有干净磁子的史莱克聚合管中加入二酐单体均苯四甲酸二酐(PDMA)2.18g(0.01mol)，再加入25ml NMP，在搅拌条件下加入(Z)-2,3-双(4-氨基苯基)丙烯腈(CNDA)2.35g(0.01mol)，经过抽真空鼓氮气过程，在0℃条件下反应10h，之后加入1.4ml(0.1mol)三乙胺，搅拌2h，产生一个透明淡黄色粘稠液体，然后倒入有机溶剂中沉降，所得产物过滤、洗涤、冷冻。
(1)PI/CNT复合气凝胶的制备
将TEA-PAA(50mg)和TEA(15uL)按摩尔比1：1溶于20ml去离子水中，搅拌2h，再加入50mg CNT，超声20min，实现均匀分散之后，用液氮冷冻形成固态，之后放入冻干机冷冻干燥10h，获得PAA/CNT气凝胶。
(2)PI/CNT复合气凝胶的制备
将所获得的PAA/CNT气凝胶，在空气中进行热亚胺化，按如下程序升温：加热到60℃维持0.5h～1h，然后继续加热到100℃维持0.5h～1h，160℃维持1h，200℃维持1h，250℃维持1h。
图1为聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶及碳纳米管的实物图，左部分为聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶，右部分为碳纳米管，由图1可以观察到聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶已经成功合成，并且具有一定的多孔结构，同时满足太阳能吸收，水运输，热障等条件；图2为聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶红外图，由图2可以得到聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶已经成功合成；图3为聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶光热效应图，在模拟太阳光辐照条件下，可以升温至63℃，说明具有极好的太阳光光热效应。
实施例2
一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶，其聚酰亚胺结构如式(ⅤI)所示：
Figure GDA0003597699050000061
制备方法如下：
原料：均苯四甲酸二酐(PDMA)，(2Z，2'Z)-2,2'-(1,4-亚苯基)双(3-(4-氨基苯基)丙烯腈)(CN2DA)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，去离子水，三乙胺，四氢呋喃，二氯甲烷。
(1)在放有干净磁子的史莱克聚合管中加入均苯四甲酸二酐PDMA
2.18g(0.01mol)，再加入25ml NMP，在搅拌条件下加入(2Z，2'Z)-2,2'-(1,4-亚苯基)双(3-(4-氨基苯基)丙烯腈)3.62g(0.01mol)，经过抽真空鼓氮气过程，在0℃条件下反应10h，之后加入1.4ml(0.1mol)三乙胺(TEA)，搅拌2h，产生一个透明淡黄色粘稠液体，然后倒入有机溶剂中沉降，所得产物过滤、洗涤、冷冻。
(3)PAA/CNT复合气凝胶的制备
PAA(50mg)和TEA(15uL)按摩尔比1：1溶于20ml去离子水中，搅拌2h，加入50mgCNT,超声20min，实现均匀分散之后，用液氮冷冻成固态，放入冻干机冷冻干燥10h，获得PAA/CNT气凝胶。
(4)PI/CNT复合气凝胶的制备
获得的PAA/CNT气凝胶，在空气中进行热亚胺化，按如下程序升温：加热到60℃维持0.5h～1h，然后继续加热到100℃维持0.5h～1h，160℃维持1h，200℃维持1h，250℃维持1h。

Claims (7)

1.一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于，由如下式Ⅰ所示的聚酰亚胺即PI与碳纳米管即CNT复合制得：
Figure FDA0003597699040000011
所述式Ⅰ中，R1为式Ⅱ中的一种,
R2为式Ⅲ中的一种：
Figure FDA0003597699040000012
Figure FDA0003597699040000021
2.如权利要求1所述的一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管的表面羧基百分含量为1％～5％。
3.如权利要求1所述的一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备聚酰胺酸即PAA，所述的PAA结构如式Ⅳ所示
Figure FDA0003597699040000022
R1为式Ⅱ中的一种，R2为式Ⅲ中的一种；
(2)将所述PAA、CNT、三乙胺即TEA溶于去离子水中，形成复合溶液；
(3)利用冷冻-干燥的方法，将复合溶液通过冷冻，再利用冻干机除水干燥，形成PAA/CNT气凝胶；
(4)PAA/CNT气凝胶热亚胺化形成PI/CNT复合气凝胶。
4.如权利要求3所述的一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的PAA的制备包括如下几个步骤：
1)将二酐单体溶于非质子强极性溶剂中，搅拌形成均相溶液，分批加入二胺单体，0℃～10℃反应10h～24h，得到粘稠PAA溶液；
2)将所述粘稠PAA溶液中加入三乙胺，继续搅拌2h～5h，反应后得到可溶性PAA溶液；
3)将上述可溶性PAA溶液经过沉降处理后，经分离、洗涤、干燥后得到可溶性PAA固体。
5.如权利要求4所述的一种聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的非质子强极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮即NMP或N,N-二甲基甲酰胺即DMF或N,N-二甲基乙酰胺即DMAC。
6.如权利要求3所述的所述聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于：所述冷冻的方法是液氮冷冻或冰箱冷冻。
7.如权利要求3所述的所述聚酰亚胺碳纳米管复合气凝胶的制备方法，其特征在于：所述热亚胺化过程为，在空气中，加热到60℃～80℃维持0.5h～1h，然后继续加热到100℃～120℃维持0.5h～1h，160℃～180℃维持1h～2h，200℃～230℃维持1h～2h，250℃～280℃维持1h～2h。
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