[发明专利]一种聚酰亚胺基复合气凝胶及其可控制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种聚酰亚胺基复合气凝胶及其可控制备方法和应用。本发明所述的聚酰亚胺基复合气凝胶的包含碳纳米管和聚酰亚胺，所述碳纳米管表面含氧基团与含氮基团的原子比为1:0.1～1:0.19。其原料组成包括：一种或多种水溶性聚酰亚胺前驱体‑聚酰胺酸、一种或多种碳纳米管。其制备过程包括：将酸化后的碳纳米管氨化，制备出酸化‑氨基化碳纳米管，再将其与水溶性聚酰胺酸反应，生成酸化‑氨基化碳纳米管聚酰胺酸水凝胶，最后通过热亚酰胺化过程，制备出酸化‑氨基化碳纳米管聚酰亚胺基复合气凝胶。本发明中制备聚酰亚胺基复合气凝胶的方法简单易行，所制备的复合气凝胶不但微观形貌可控而且性能可调，是一种理想的隔热材料和阻燃材料。

技术领域

本发明属于新型纳米材料-高分子基多孔复合气凝胶的制备技术领域，具体来说，涉及一种聚酰亚胺基复合气凝胶材料及其可控制备方法与应用。

背景技术

气凝胶自上世纪30年的出现以来，由于其具有高的孔隙率(80-99.8％)，高比表面积(200-1000m²/g)，低密度(0.1g/cm³)等特性在阻燃、隔热、隔音等方面表现出广阔的应用前景。气凝胶按其组分可以分为二氧化硅(SiO2)气凝胶、碳气凝胶、高分子基气凝胶以及其他无机气凝胶等。与SiO2和碳气凝胶相比，高分子基气凝胶由于具有成本低、易成型、孔隙率高、密度低、热导率低等独特性能而被广泛用作阻燃、隔热和介电等材料的基体。然而，高分子基气凝胶普遍存在力学性能差(压缩模量通常为0.3-5.8MPa)、热分解温度低(190-270℃)、易燃(极限氧指数，LOI34)等问题，因而其应用受到限制。究其原因，主要是由聚合物基体本身的力学性能差和热分解温度低引起的。因而，为开发环境友好型的高分子基体并扩展高分子基气凝胶的应用领域需要选择具有良好力学性能以及高分解温度的水溶性高分子基体，同时需要选择合适的纳米粒子以增强气凝胶的性能并解决纳米填料在基体中的分散问题。

发明内容

本发明是针对目前高分子基气凝胶存在的力学性能差、热稳定性差、易燃等不足，使用受限的问题，提出一种以一维碳纳米管为填料增强的聚酰亚胺气凝胶材料及其可控制备方法与应用。

本发明提供一种聚酰亚胺基复合气凝胶，包含碳纳米管和聚酰亚胺，所述碳纳米管表面含氧基团与含氮基团的原子比为1:0.1～1:0.19。碳纳米管表面的含氧基团，含氮基团与聚酰亚胺分别通过形成氢键和酰胺键而形成交联网络，减少聚酰亚胺基复合气凝胶的孔尺寸，提高力学性能和热稳定性。

进一步地，所述碳纳米管表面官能团的含量为11.0～20.9wt％。

本发明还提供一种聚酰亚胺基复合气凝胶作为隔热材料、阻燃材料的应用。

本发明还提供一种聚酰亚胺基复合气凝胶的制备方法，其制备原料组成包括：一种或多种碳纳米管、一种或多种水溶性聚酰亚胺前驱体-聚酰胺酸，其中碳纳米管与聚酰胺酸的质量比为0.2:100-12:100，具体步骤如下：

(1)将体积比为4:1-2:1的浓硫酸与浓硝酸混合得到混酸溶液，将碳纳米管分散于所述混酸溶液中，在50-90℃下搅拌，反应1-12h；

(2)将混酸处理后的碳纳米管用1-20％的盐酸和去离子水反复清洗，再经冷冻干燥得到酸化碳纳米管；

(3)将所述酸化碳纳米管分散于去离子水中，超声得到稳定分散的酸化碳纳米管分散液；

(4)在所述酸化碳纳米管分散液中加入5-50μL的浓度为25-80％的水合肼和30-150μL的浓度为20-28％的氨水溶液，在50-100℃下搅拌加热0.5-3h，得到酸化-氨基化碳纳米管分散液。

(5)将水溶性聚酰胺酸溶于所述酸化-氨基化碳纳米管碳纳米管分散液中得到酸化-氨基化碳纳米管聚酰胺酸溶液；

(6)将所述酸化-氨基化碳纳米管聚酰胺酸溶液超声后放置一段时间，通过溶胶-凝胶过程得到酸化-氨基化碳纳米管聚酰胺酸水凝胶；