[发明专利]一种有序孔结构聚酰亚胺/石墨烯基复合碳泡沫及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种有序孔结构聚酰亚胺/石墨烯基复合碳泡沫及其制备方法，通过将聚酰胺酸和氧化石墨烯的水分散液经定向冷冻、热亚胺化制成具有有序孔结构的聚酰亚胺/石墨烯复合泡沫，再进行高温碳化所得，制备方法简单，易于操作。本发明具有有序孔结构的聚酰亚胺/石墨烯基复合碳泡沫密度低，热导率低，且综合性能优异，具有各向异性，可作为轻量化隔热材料或电磁屏蔽材料使用，在航空航天、武器装备等重要领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种有序孔结构聚酰亚胺/石墨烯基复合碳泡沫及其制备方法和用途。

背景技术

碳泡沫材料具有通过C-C原子之间相互连接，以C作为骨架的多孔状网络结构，是一种非常重要的轻质多孔材料，它不仅具有普通碳材料的诸多性能，而且还具有耐高温、密度小、强度高、隔热性能优良等特性和良好的导电、吸波性能，在电子、化工、航空航天、热控材料等诸多领域都具有广阔的应用前景。

自20世纪60年代碳泡沫被初次报道以来，研究者尝试采用多种不同的前驱体和不同的发泡或制孔工艺，通过1000℃以下进行碳化处理，制备热导率低、比强度高的无定形碳结构的碳泡沫。目前常用的碳泡沫前驱体为沥青、煤、有机聚合物(如聚氨酯、酚醛树脂)等，制备生产工艺大多较为复杂，步骤繁多，生产成本较高。此外制得的碳泡沫大多具有各向同性结构，不能满足某些复杂应用下对材料各个方向不同性能的需求。

聚酰亚胺是一种具有出色的机械性能、稳定的化学性能和优异的热稳定性的特种工程塑料。由于具有高温惰性气氛下的残炭率高，分子结构可选择性多，碳化和石墨化过程简单等优点，聚酰亚胺(PI)也常被用作碳材料的聚合物前驱体，如以PI膜“Kapton”为前驱体可制备高质量的石墨膜。此外，聚酰亚胺也可以通过多种方式制成聚酰亚胺泡沫，因此聚酰亚胺也具备作为碳泡沫前驱体的潜力，但对其制备的碳泡沫性能的研究仍然较少。例如文献(Li C,et al.Bio-molecule adenine building block effectively enhanceselectromagnetic interference shielding performance of polyimide-derivedcarbon foam[J].Carbon,2019,149:190-202.)采用冻干法制备了含腺嘌呤的聚酰亚胺泡沫，并将其作为聚合物前驱体进行碳化，制得的碳泡沫具有优异的电磁屏蔽性能，但其传热、力学等性能还需要进一步探究。

作为石墨烯的衍生物之一，氧化石墨烯表面含有羟基、羧基、羰基等丰富的含氧官能团，这些官能团可以显著降低石墨片层间的范德华力，改善其在水中的分散性以及和聚合物的相容性。其进一步热还原制备的石墨烯片具有高模量，可一定程度上对聚合物基体进行增强，是常用的改性聚合物填料，然而，将其作为碳泡沫填料使用对碳泡沫性能的影响尚鲜有报道。

总的来说，如何通过特定的前驱体、填料的使用，并通过简单的制备方法实现对碳泡沫结构的控制和设计，制备具有优异隔热性能、电磁屏蔽性能的有序孔各向异性结构的碳泡沫，拓宽碳泡沫材料的应用范围，仍待进一步研究。

发明内容

本发明旨在通过一种工艺简单、绿色环保的方法，制备得到一种具有优异的各向异性隔热性能的新型轻质碳泡沫。

本发明提供了一种碳泡沫，它是以聚酰亚胺和石墨烯制成的复合碳泡沫。

进一步地，上述聚酰亚胺和石墨烯的质量比为100:(5～20)。

更进一步地，上述聚酰亚胺和石墨烯的质量比为100:(15～20)。

更进一步地，上述复合碳泡沫是以聚酰亚胺为基体，石墨烯为填料的复合泡沫经碳化制备而成的复合碳泡沫。

更进一步地，上述复合泡沫是：以聚酰胺酸、氧化石墨烯为原料，在水中分散均匀形成分散液后置于模具中，使用冷冻液冷冻，再进行冷冻干燥、热亚胺化制得；优选地，所述冷冻是定向冷冻，所述定向冷冻的方法为：将装有分散液的模具底部与冷冻液上表面贴合，进行冷冻。