[发明专利]利用石墨烯增强聚酰亚胺树脂碳化制备碳化膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及树脂碳化制备碳化膜的方法。

背景技术

碳材料是指选用石墨、无定形炭或含碳化合物作为主要原料，经过特定的生产工艺过程而得到的无机非金属材料。碳材料在某种意义上被认为是一种高级的耐火材料，它在3000℃以上也不会熔化，在常压下，没有熔点，只有在3500℃以上升华，是其它耐火材料无法比拟的。碳材料的各种综合性能十分优良，它有金属和陶瓷的性能，能起到单一的金属、陶瓷起不到的作用：1)良好的导电导热性；碳可以认为是共价半导体和金属的中间物-半金属，导电，导热性能好，同时热膨胀系数低，既可作为金属也可作为陶瓷使用。2)润滑性；c轴方向的层间的结合力很弱，稍受力就能使石墨层间产生移动，作为抗磨材料使用。3)高的抗热震性；熔点高，热膨胀系数低，热导率高，温度梯度小，同时强度随温度增加而增加约20MPa-40MPa。4)化学稳定性；在非氧化性气氛下中是化学惰性的，可作为耐腐蚀材料。5)良好的核物理性能；作为核反应堆材料。

而碳膜的特性是比重轻、耐酸碱、耐有机溶剂，传热和导电性好，耐热冲击、耐磨损，自润滑性、机械加工性和生体相容性好、异向性大。因而，人们依照其不同特性结合不同的应用目的，在空间技术领域、核工业、电子信息技术领域、环保化工气液分离设备等被广泛应用。同时，还可将碳膜制作成密封垫圈、生物材料。在制作平面显示器、辐射探测器、光电探测器、分离过滤技术等方面应用潜力也很大。

目前主要采用化学气相沉积和高分子碳化法制备碳膜。化学气相沉积的主要缺点是成本较贵，同时沉积较厚的碳膜需要很长的周期，技术上很难实现。高分子碳化法制备碳膜材料是一种很有前景的方法，工艺简单，能耗少，制备的薄膜结构紧密，有很好的力学强度。

碳材料通常采用合成聚合物、天然高分子和煤及其衍生物等高温碳化制备。但天然高分子来源不够充足，不主要用于制备碳材料。而与各种煤及其衍生物，如沥青、煤焦油等芳香族碳氢化合物相比，合成聚合物来源更为广泛、结构均匀致密，制备的碳材料杂质含量很少。更适合于制备碳化膜。目前碳化膜是通过对有机前驱体进行热解和高温碳化而得到的。

聚酰亚胺作为一种含有大量芳香杂环结构的合成树脂，具有碳化产率较高，结构致密，同时具有很好的成型工艺，可以制备成薄膜、块体、异型体等复杂构件，但是目前仍然存在如下问题：碳化温度高，耗能大；碳化周期长；碳化膜碳化率较低；制备的碳化膜脆性较大且易碎的问题。

发明内容

本发明要解决现有制备碳化膜方法存在碳化温度高、耗能大、碳化周期长、碳化膜碳化率较低及强度低的技术问题；而提供了利用石墨烯增强聚酰亚胺树脂碳化制备碳化膜的方法。

本发明利用石墨烯增强聚酰亚胺树脂碳化制备碳化膜的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将0.02mol4，4’-二氨基二苯醚(ODA)和0.02mol苯酮四羧酸二酐(BTDA)加入100mLN，N-二甲基乙酰胺(DMAC)中，然后在惰性气氛中以300～1000r/min搅拌速度进行机械搅拌4.5～6.5h，得到PAA溶液；

步骤二、然后向PAA溶液中加入0.05-0.2g石墨烯，在0～5℃、惰性气氛中，以300～1000r/min搅拌速度搅拌进行原位聚合反应，反应时间1～2h，得到溶液A；

步骤三、将溶液A平铺到干净的玻璃板上，然后升温至60℃保温2h，再升温至100℃保温1h，然后升温至200℃保温1h，再升温至300℃保温1h，获得复合薄膜；

步骤四、然后置于真空管式炉中的恒温区间，以2～6℃/min的升温速率升温至800～1600℃，并在氮气或氩气气氛下碳化2小时，自然降温至室温，即获得碳化膜。

本发明通过加入石墨烯增强改性的方法，提高了聚酰亚胺碳化过程产生的内应力，降低了碳化膜的脆性，很易于制备完整的大面积碳膜；同时有效地降低了碳化温度，缩短了碳化时间，从而大量节省了能源；石墨烯的加入，加快了碳化过程，并起到诱导作用，使得碳化率也提高。该技术直接应用于生产中，可有效降低能耗，提高生产效率，获得更大的经济效益。