[发明专利]一种石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶的制备方法，属材料技术领域。本发明主要通过季铵盐类阳离子表面活性剂、叔胺辅助制备聚酰胺酸水溶液，再将石墨烯均匀分散在聚酰胺酸水溶液中得石墨烯/聚酰胺酸混合溶液，经老化、冷冻干燥、热亚胺化得石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶。该方法具有简单、高效、设备要求低、适用范围广、环境友好且成本低的优点，可有效避免传统聚酰亚胺类高性能气凝胶难以制备的问题，所得气凝胶可用于气体吸附、有机物吸附、绝热材料等，在大气污染治理、水污染治理、绝热结构材料等领域具有很高的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及聚合物气凝胶的制备，具体涉及一种石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种高分散固态材料，主要由胶体粒子(或聚合物分子)聚集所得孔隙中充满气态分散介质的纳米多孔网络结构组成，常通过湿凝胶制备，是湿凝胶干燥过程中将其中的液体成分替换成气体而仍然保持其凝胶网络的三维多孔纳米材料。特殊的连续三维网络结构使得气凝胶在热学、力学、声学、光学、电学等方面都显示出独特的性质，因而在分离材料、吸附材料、绝热材料、气体及生物传感器、低介电常数材料等领域备受关注。

聚酰亚胺是指分子主链结构单元中含有酰亚胺环的一类聚合物，具有极为突出的热氧稳定性、介电性、耐环境老化性、耐辐射性、耐化学溶剂性以及机械强度等，是当今综合性能最优的聚合物材料之一，也是制备聚合物气凝胶的理想材料之一。聚酰亚胺气凝胶的制备多采用以下方法：首先，二酐与二胺单体制备聚酰胺酸(聚酰亚胺前驱体)；然后，化学亚胺化是聚酰胺酸溶液转变为聚酰亚胺凝胶；最后，将聚酰亚胺凝胶在超临界CO₂中干燥得气凝胶。然而，该方法对聚酰亚胺溶解性要求较高，需可溶性聚酰亚胺方可制备聚酰亚胺凝胶，从而导致多数不溶性聚酰亚胺无法通过该方法制备气凝胶。近年来，研究人员开发出一种先将聚酰胺酸制成水溶液而后冷冻干燥、热亚胺化的聚酰亚胺气凝胶制备方法，该方法简单高效、适合绝大多数聚酰亚胺气凝胶的制备，是一种较为理想的聚酰亚胺气凝胶制备方法。但是，由于聚酰胺酸分子链柔性较大，其气凝胶骨架强度较低，导致聚酰胺酸气凝胶尺寸收缩较大，进而严重影响聚酰亚胺气凝胶制品的质量。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的二维碳纳米材料，可由石墨经机械、化学等方法剥离制得，具有来源广泛、环境友好、刚性较大等优点，将石墨烯引入聚酰胺酸体系中理论上有望增加聚酰胺酸气凝胶骨架强度，从而有效降低其尺寸收缩性。因此，如何将石墨烯引入聚酰胺酸水溶液体系，并建立一种简单高效、适用范围广的石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶制备方法对聚酰亚胺气凝胶的制备具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术存在的石墨烯/聚酰亚胺气凝胶制备复杂且不满足绿色制备的问题，本发明提供了一种简单、高效、设备要求低、适用范围广的石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶的制备方法，即主要通过季铵盐类阳离子表面活性剂、叔胺辅助制备聚酰胺酸水溶液，再将石墨烯均匀分散在聚酰胺酸水溶液中得石墨烯/聚酰胺酸混合溶液，经老化、冷冻干燥、热亚胺化得石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种石墨烯/聚酰亚胺复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将二胺单体、叔胺、季铵盐类阳离子表面活性剂在去离子水中搅拌至形成均一溶液；季铵盐类阳离子表面活性剂与二胺单体的加入摩尔比为(0.03～0.04)：1，叔胺与二胺单体的加入摩尔比为(0.05～0.08)：1；

再加入二酐单体，搅拌至二酐单体全部溶解并形成粘性溶液，即得到聚酰胺酸水溶液；二胺单体与二酐单体的加入摩尔比为1：(0.95～1.05)；

将石墨烯均匀分散在聚酰胺酸水溶液中得石墨烯/聚酰胺酸混合溶液，石墨烯与二胺单体的加入质量比为(0.05～0.5)：1；

将混合溶液经脱气后冷藏老化并冷冻干燥，得石墨烯/聚酰胺酸复合气凝胶；