[发明专利]一种聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合薄膜的制备方法，特别是指用原位聚合法制备聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合薄膜的方法，属于功能高分子材料的制备技术领域。

背景技术

聚酰亚胺通常是指在分子主链上含有酰亚胺基团的一类特殊的聚合物材料，作为高性能复合材料的基体，其结构主链中通常含有五元杂环单元，使其表现出非常特殊的性能，在耐高温、耐低温、抗辐射、阻燃、自润滑和微电子等高新技术领域中应用非常广泛；聚酰亚胺作为自润滑耐磨材料应用于航天等领域的摩擦系统中，日益受到国防军事及尖端技术部门的极大重视；但是在单独使用时耐磨性能差，于是，国内外研究者利用碳纤维，玻璃纤维，其他微米颗粒，纳米粒子等进行填充、共混处理，制成聚酰亚胺复合材料，但是也很难满足高精度，高载荷，耐高温，耐磨损的要求；例如专利200510110458.3通过加入固体润滑剂和粘土在聚酰胺酸溶液中共混来改善聚酰亚胺抗磨减摩的性能，尽管通过添加固体润滑剂和粘土改善了聚酰亚胺的耐磨性能，但是其粘土晶体并不能在聚酰胺酸溶液中很好的分散，导致其摩擦系数还是比较高的；专利03141663.2 利用芳纶纤维来提高聚酰亚胺的力学性能和摩擦学性能，虽然其摩擦系数稳定在0.2左右，但是整个实验过程对仪器设备的要求比较高，从而不太利于大规模生产。

石墨烯是由碳原子以sp² 杂化结合成的单原子碳层，结构非常稳定，具有优异的力学性能、奇特的电学性质和良好的热学性质，研究发现，石墨烯杨氏模量可达11000GPa, 断裂强度达125GPa, 热导率达5000W/(m·k), 理论比表面积高达 2630 m²  /g，在航空航天、新材料、电力、电子等领域具有良好的应用前景；但石墨烯除了难以制备外，还由于极强的疏水性，不能分散在水相中，因此很难与聚合物基体形成有效的粘结，从而大大限制了其应用领域；氧化石墨烯（GO）是含有丰富含氧官能团的石墨烯衍生物，可以通过化学氧化剥离廉价的石墨而得；氧化石墨烯具有优异的力学性能、良好的热学性质和优异的水溶性，易成膜，从而解决了石墨烯不能分散在水相和有机溶剂的问题；而且氧化石墨烯独特的二维纳米片层结构，使其在摩擦过程中，容易形成转移膜，因此可作为一种新型的润滑添加剂，目前关于较低含量的氧化石墨烯改性聚酰亚胺复合薄膜材料在摩擦学上的研究报道较少。

发明内容

本发明以提高材料综合性能的角度出发，制备了一种聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合薄膜，解决了石墨烯在有机溶剂、聚合物基体中分散性不好以及聚酰亚胺单独使用时耐磨性能差等缺点。

由于复合薄膜中含有均匀分散的氧化石墨烯片，并且这些石墨烯片与聚酰亚胺基体有效的结合，实现了氧化石墨烯与聚酰亚胺基体的分子尺度上的复合，在提高聚酰亚胺的摩擦学性能的同时，能有效提高材料的力学和热稳定性能，将会在航天航空、电气、微电子和汽车等行业得到广泛的应用。

聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合薄膜材料的制备方法是按下列步骤进行的： 

（1）用Hummers方法将石墨氧化解离成氧化石墨烯片；

（2）将氧化石墨烯在有机溶剂中超声分散均匀，得到氧化石墨烯片悬浮液，每ml氧化石墨烯片悬浮液中含有1.3×10^-5－1.3×10^-4g氧化石墨烯片，通氮气脱氧保护，在该悬浮液中加入二胺类单体，机械搅拌至完全溶解，分批加入与二胺类单体等摩尔的二酐类单体，在冰浴的条件下搅拌1-6h, 得到聚酰胺酸/氧化石墨烯复合溶液；

（3） 将聚酰胺酸/氧化石墨烯复合溶液浇注在模具上，去除有机溶剂后, 100℃-300℃内梯度升温进行热酰亚胺化, 制得聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合薄膜。

本发明所述的有机溶剂是N, N′-二甲基甲酰胺、N, N′-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。

本发明所述的二胺类单体是4，4′-二氨基二苯醚、4, 4′-二氨基二苯硫醚、二氨基二苯基甲烷或间苯二胺。

本发明所述的二酐类单体是均苯四甲酸酐二酐、均苯二硫酐、联苯四甲酸二酐或3,3′，4,4′-二苯甲酮四甲酸。

本发明所述的二胺类单体与二酐类单体的质量之和与氧化石墨烯片的质量比为100：0.1-1。

所述分批加入指：每隔30秒加入少量二酐类单体，每次加入的二酐类单体质量相等，直至二酐类单体全部加入完毕；通过分批加入使得反应比较充分，使得氧化石墨烯能够在聚酰亚胺中分散均匀，耐磨性能更加优良。