[发明专利]聚多巴胺改性碳纳米管石墨烯/聚酰亚胺复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚多巴胺改性碳纳米管石墨烯/聚酰亚胺复合材料及其制备方法，该方法步骤如下：将氧化石墨烯、碳纳米管在水中分散均匀，加入盐酸多巴胺，调节pH值为7.5～10.5，反应，将产物洗涤、干燥，得到聚多巴胺改性的碳纳米管石墨烯；然后将其与二酐、二胺加入非质子极性溶剂，在氮气保护、搅拌、‑10～30℃条件下进行原位聚合反应，得到聚多巴胺改性碳纳米管石墨烯/聚酰胺酸前驱体溶液；继而通过流延、模具或其它复合材料的成型方式制成所需形态，在40～100℃固化，再在100～450℃保温1～4h，得到聚多巴胺改性碳纳米管石墨烯/聚酰亚胺复合材料。该制备方法具有工艺简单，绿色安全，便于工业化生产等特点。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及聚多巴胺改性碳纳米管石墨烯/聚酰亚胺复合材料及其制备方法。

背景技术

聚酰亚胺由于其具有优异的耐热性能、介电性能、力学性能等被广泛应用于航空航天、微电子、通讯等尖端技术领域。但是随着现代工业的不断发展，对材料的各项性能要求越来越高，不仅需要耐更高温，同时要高强度、高模量及好的介电性能。传统聚酰亚胺材料已不能满足要求，需要对其进行改性以获得所需的聚酰亚胺复合材料。石墨烯和碳纳米管是继富勒稀之后的两个新成员，石墨烯是由碳原子以SP²杂化连接的单原子层构成，是目前最薄的二维纳米材料，具有优异的电学、热学和力学性能，其力学强度可达到130GPa，是世界上强度最高的材料。碳纳米管具有优异的力学性能和独特的电学性能，在增强材料力学性能、提高聚合物介电性能、制备抗静电材料等方面具有十分重要的意义。因此碳纳米管和石墨烯成为目前理想的聚合物填充材料。

中国发明专利(CN102534858)中公布了一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备方法，其以氧化石墨烯为填料，与聚酰胺酸进行混合，再利用湿纺或者干纺制备石墨烯/聚酰胺酸复合纤维，之后经亚胺化处理得到石墨烯/聚酰亚胺纤维。Song-Young Park等通过溶液共混方法制备了石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜，添加石墨烯后，制得的复合薄膜的力学性能、导电性能均得到提高(Ha,H.W.；Choudhury,A.；Kamal,T.；Kim,D.H.,Park,S.Y.ACSAppl.Mater.Interfaces,4,(2012).)。中国发明专利(CN101177527)中公布了一种碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备方法，其以功能化的碳纳米管为填料，与聚酰胺酸进行混合之后浇注在平板上，60℃下去除溶剂1h，在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃各保温1h进行热亚胺化，制得碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。Marisable Lebron-Colon等通过溶液共混法制备碳纳米管/聚酰亚胺复合材料，添加修饰的碳纳米管后，制得的复合薄膜的拉伸强度、热稳定性、电导率等性能得到显著提高(Marisable Lebron-Colon,Michael A.Meador,JamesR.Gaier,Francisco Sola,Daniel A.Scheiman and Linda S.McCorkle.ASCAppl.Mater.Interface,2010,2(3),PP 669-676)。但已报道的添加石墨烯或碳纳米管后的复合材料综合性能并未达到理想值，力学和耐热性能也不能同时兼顾。对于石墨烯其原因在于制备过程中石墨烯的自团聚，导致其分散不均匀；石墨烯与聚酰亚胺基体粘合力较差，导致应力集中，从而不能有效提高石墨烯与聚酰亚胺复合材料的综合性能。对于碳纳米管其原因在于碳纳米管具有巨大的表面积使管与管之间存在较大的范德华力，使其几乎不能溶解和在基体聚合物中易发生缠绕团聚，且其本身不带反应性基团，不具有化学活性。要想有效提高碳纳米管与聚酰亚胺复合材料的综合性能，解决其分散性是制备高性能复合材料的首要任务。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种聚多巴胺改性碳纳米管石墨烯/聚酰亚胺复合材料及其制备方法，其将碳纳米管和石墨烯以有序排列的方式同时引入聚酰亚胺基体中，可以显著提高聚酰亚胺复合材料的力学性能、耐热性能和玻璃化转变温度，扩大其应用领域；该制备方法具有工艺简单，绿色安全，便于工业化生产等特点。为此，本发明的技术方案在于：