[发明专利]一种改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物纳米复合材料技术领域，具体涉及一种改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

聚酰亚胺由于具有优异的电性能、机械性能，优良的耐化学腐蚀性、耐溶剂性，较高的热稳定性能，较小的热膨胀系数和良好的加工工艺性而被广泛应用于航空航天、电子电器、军事装备领域、汽车、通讯等尖端技术领域。但随着应用领域的扩展，对产品的高性能以及产品在各种环境下稳定性要求的不断提高，传统的聚酰亚胺树脂已经不能完全满足各领域不断发展的需求，必须进一步提高聚酰亚胺树脂的力学性能，热稳定性以及疏水性，这就需要对聚酰亚胺树脂进行改性。

2004年英国曼彻斯特大学的A.K. Geim等制备出了石墨烯（Novoselov K.S., Geim A.K., et al. Science 2004, 306, 666-669）。石墨烯是由碳原子以SP²杂化连接的单原子层构成的，具有由碳原子以六边形网络形式排列而成的二维平面结构，其理论厚度仅为0.35nm，是目前发现的最薄的二维纳米材料。经研究表明，石墨烯由于其特殊的二维结构，成为世界上强度最高的材料，其强度达130GPa。此外,石墨烯还具有超大的比表面积、良好的疏水性、优异的耐磨性、超高的热导率以及载流子迁移率。这一系列优异的性能引起了科技界以及工业界新一轮的“碳材料”研究热潮。

目前，石墨烯作为高性能功能填料在聚合物复合材料领域有着大量研究。但是大多数石墨烯/聚合物复合材料的性能未到达理想值。其主要原因可以归结为两方面：一方面，石墨烯在与聚合物共混复合时，自身极易团聚而导致其在基体中分散不均匀；另外一方面，石墨烯与聚合物基体之间界面结合弱，且与聚合物相容性较差，在复合材料中极容易形成应力集中点且应力传递效率低，从而不能有效的改善聚合物的性能。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足提供一种改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料及其制备方法，解决石墨烯在聚酰亚胺树脂基体中的分散问题和石墨烯与聚酰亚胺树脂基体之间的界面结合问题，确保应力在复合材料中的有效传递，实现该复合材料纳米尺度上的复合，从而使之具有较好的力学性能、耐磨性及疏水性。

为实现上述目的，本发明对氧化石墨烯接枝了可交联基团，使其能够稳定且均匀的分散在多种分散剂中。通过溶液共混方法，使改性石墨烯在可交联基团封端的预聚体中具有良好分散性，进而获得复合材料的前驱体，再经由原位热交联反应制得改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料。借助改性石墨烯在聚酰亚胺复合材料中均匀分散且呈层状排列分布以及改性石墨烯与聚酰亚胺树脂基体之间形成的共价键作用力，有效地增强了两相界面的结合性能，进而提高了聚酰亚胺树脂的力学性能、耐磨性及疏水性，拓宽了聚酰亚胺树脂的使用范围。

本发明提供的改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料，由聚酰亚胺树脂和改性石墨烯通过溶液共混以及原位热交联的方法制备获得，各组分的重量百分比为：

聚酰亚胺树脂                                  95.0-99.9wt%

改性石墨烯                                    0.1-5.0wt%

本发明中，所述的聚酰亚胺树脂为由可交联基团封端的预聚体在热处理作用下交联而获得的热固性聚酰亚胺树脂。

本发明中，所述的改性石墨烯为接枝了可交联基团的氧化石墨烯，其厚度为0.9-1nm，颗粒尺寸为0.3-0.5μm。

本发明中，所述的可交联基团为乙炔基、苯乙炔基、苯马来酰亚胺基、马来酰亚胺基或邻苯二甲腈基等。

本发明提出的改性石墨烯/聚酰亚胺树脂复合材料的制备方法，具体步骤如下，

步骤一：氧化石墨烯的改性：

称取一定量的氧化石墨烯装入圆底三口瓶，按每1mg氧化石墨烯对应3-7ml的比例加入分散剂，再使用超声波超声分散0.5-2h，得到稳定且分散均匀的氧化石墨烯分散液。将称取的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐、1-羟基-苯并-三氮唑、三乙胺和含可交联基团的苯胺加入到上述分散液中，室温下搅拌反应12-18h。其中，按摩尔量比例计，氧化石墨烯:1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐：1-羟基-苯并-三氮唑：三乙胺：含可交联基团的苯胺=1:0.9-1.3:0.9-1.3:15-25:5-10。将反应后的分散液真空抽滤，获得混合物，用分散剂和去离子水洗涤除去未反应物和反应副产物，将产物置于30-50℃的真空烘箱中烘干，制得改性石墨烯。