[发明专利]一种具有超级电容特性的聚酰亚胺基材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有超级电容特性的聚酰亚胺基材料及制备方法，尤其涉及一种通过纳米粉体填充及纤维增强改性聚酰亚胺基体材料及其制备方法。

背景技术

随着科技和社会的迅速发展，对高性能电源的需求量越来越大。这些电源装置不仅要有高的比能量，而且还要有较高的比功率。传统储能设备，例如二次电池以及静电电容器已不能满足实际要求。同时传统电容器的大体积和重质量已经无法跟上时代的发展要求，因此，研究价廉，轻质的柔性电化学电容器来满足电子时代的各种要求成了许多研究者的关注热点。电化学电容器(又称超级电容器)是一种新型储能装置，它具有高比能量，充放电时间短，使用寿命长，温度特性好，节约能源和绿色环保等特点。它的高电容源自两个方面：双电层电容(EDLC)主要发生在电极及电解质界面上，由吸附的离子转换的非氧化还原静电荷能；另一种是由超级电容器重的氧化还原反应产生的赝电容。综合两者，高的电导率，快速离子扩散以及高比电容都是其主要的因素。

根据双电层电容储能机理，碳系材料由于其具有化学惰性，不发生电极反应，易形成稳定的双电层；其可控的孔结构，较高的比表面积，易增大电容量；其纯度高，导电性好，以减少漏电流，以及其在复合材料中与其他材料的相容性好，常用于双电层电容的电极材料。同时，随着柔性电极的引入，碳系材料由于其优异的机械性能常被作为电活性材料用于柔性电极中。然而，赝电容电极由于其发生氧化还原反应，常用导电高分子和过渡金属氧化物作为其电极材料。但是由于传统的导电高分子材料的机械性能及热性能较弱，从而影响了电容器性能的提高，使其应用受到一定的限制。同时，高分子纤维材料由于具有良好的机械特性，优异的阻燃、耐热性能，稳定的化学性质，耐辐射性和耐久性，通常用来增强高聚物，提高复合材料的力学，热学等性能。

聚酰亚胺(PI)由于其优异的热氧稳定性，耐溶剂性，高机械性能和环境稳定性得到广泛的研究。而有机/无机纳米复合材料因其无机相在纳米尺寸范围内，大大增强了两相界面的相互作用，使其成为集有机、无机材料优异性能和纳米粒子的诸多特性于一体的新型材料，作为柔性电化学电容器的电极材料，具有很大的潜质和优势。

Gai Zhao等人利用热压成型的方法制备了云母掺杂芳纶/PI复合材料，并研究了不同云母含量对复合材料在超真空，紫外和原子氧环境下的摩擦磨损性能。研究表明：复合材料的机械性能和摩擦性能优于纯树脂材料，且弹性模量随着云母含量的增加而增加，但是冲击强度和磨损因子降低。复合材料的摩擦磨损行为与照射环境紧密相关，其在摩擦过程中，主要的磨损机理时粘着磨损和犁沟磨损。经过UV照射后，分子链被破坏，从而导致磨损速率增加。由于该种材料中没有掺入导电材料，其电化学性能并不是其优势性能。

Nguyen Dang Luong等人通过Hummer方法制备氧化石墨烯，再用异氰酸乙酯对其进行化学改性，改性后的氧化石墨烯稳定分散在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中作为介质，用于通过原位聚合法合成PI/功能化石墨烯复合材料。性能研究结果显示加入了0.38wt％氧化石墨烯的复合材料，其杨氏模量从1.8GPa跃升到2.3GPa，这与纯PI相比，大约增长了30％。其相应的拉伸强度从122MPa上升到131MPa，电导率上升到1.7*10^-5Sm^-1，电性能有了明显的增加。但是该制备方法较为复杂，实验原料不环保。