一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石墨烯三元纳米复合材料的制备方法_2

文档序号:9927970阅读:来源:国知局
0~30个小时。
[0040] 所述聚酰胺酸溶液的特性粘度为3.0dl/g~4.7dl/g。
[0041] 在一种实施方式中,优选地,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚 胺/氧化石墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,所述聚酰胺酸溶液的特性粘度为3.7dl/ g°
[0042] 用于静电纺丝的溶液需具备有一定的粘度,才能用静电纺丝的方法制备纳米纤 维,由于四胺和四酸形成的羧酸铵盐溶液不稳定,难以用于静电纺丝,聚酰胺酸溶液的加 入,一方面,可以在随后的热处理过程中形成复合纳米纤维中的聚酰亚胺;另一方面,起到 增粘剂的效果,使得混合液可以经静电纺丝制备得到均匀、规整的纳米纤维,并且通过调节 增粘剂的粘性可以控制所制备得到的复合纳米纤维的性能。
[0043]用于本发明的搅拌方法可以采用本领域技术人员已知的任何方法,用于本发明的 搅拌器可以采用本领域技术人员已知的搅拌器类型,包含机械搅拌器和超声波搅拌器。 [0044]氧化石墨烯平面含有大量的含氧基团,如羟基、环氧基;其边缘含有羧基、羰基、酚 羟基等。利用本发明所述的方法得到的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石墨烯三元纳米复合材料 中,聚酰胺酸中的官能团与石墨烯中的含氧官能团之间有很强的氢键作用,聚合物能进入 氧化石墨烯的片层之间。在高温下,氧化石墨烯片层能够限制聚酰亚胺主链中分子的运动, 提高复合材料的耐热性能。氧化石墨烯具有规整的二维层状结构,具有良好的韧性和润滑 性。本体系中氧化石墨烯的加入对复合材料的强度、耐热性都有提高,最为明显的是,氧化 石墨烯的加入还对复合材料的耐磨性提升非常显著。
[0045] 上述步骤(4)中所得的复合纳米纤维经过多聚磷酸处理之后,氧化石墨烯中的羧 基与聚吡咙和聚酰亚胺侧基上的苯环发生部分傅克酰基化交联反应,使复合材料中的三种 组分通过化学键连接在一起,氧化石墨烯与两种聚合物的之间的复合性变得更好,不会发 生自团聚。
[0046] 在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述溶剂选自以下物质中的一种或几种:N,N-二甲 基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、邻苯二甲酸二甲酯、N-甲基吡咯烷酮、N-乙酰基-2-吡咯烷 酮、六甲基磷酰三胺、二甲亚砜、二苯砜、环丁砜、间甲酚、二甘醇二甲醚。
[0047]在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述氧化石墨稀的制备方法如下:取42g浓硫酸放入 烧杯中,将烧杯置于冰浴中,冷却至5°C以下,称取lg石墨粉和0.6g硝酸钠放入烧杯,超声 1.5小时以后,缓慢加入4g高锰酸钾,关闭超声,搅拌溶液,保持温度在10°C以下,搅拌2小 时。将烧杯移至水浴锅中,水浴温度保持在35°C,开启超声反应0.6小时,将所得混合溶液加 入至100ml去离子水中,并将所得混合液置于90~100°C的水浴中,缓慢搅拌,反应30分钟, 加入60mL去离子水,反应终止,随后加入25mL体积分数为30 %的双氧水,反应15分钟后,加 入体积分数为1 ο %的盐酸溶液溶解。低速离心洗涤,纯化,将洗涤后的中性氧化石墨分散在 水中,超声震荡剥离40分钟,然后离心30分钟,上层液即氧化石墨烯分散液。取上层液真空 干燥,在40°C下干燥24小时。
[0048] 用于本发明的氧化石墨烯也可以是市售的。
[0049] 在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,所述步骤(1)和(2)均在温度低于25°C的条件下进 行。
[0050] 在配置用于静电纺丝的混合溶液过程中,均需要在温度低于25°C的条件下进行。 一方面,在较低温度下操作是为了防止四胺单体被空气中的氧气所氧化;另一方面,聚酰胺 酸溶液的储存温度会影响聚酰胺酸溶液内的水解过程,水解过程会影响聚酰胺酸的稳定 性,进而影响聚酰胺酸溶液的粘度,以及制备得到的聚酰亚胺的材料的性能,低温储存和操 作聚酰胺酸溶液,可以抑制水解。这是由于一方面,低温下分子运动速率降低,从动力学上 来讲,水解过程得到抑制,另一方面,酰胺化是放热的过程,所以低温下,聚酰胺酸水解的反 应平衡向左移动,抑制水解过程。
[0051] 在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述步骤(3)中真空干燥温度为50~60°C,干燥时间 为5~8小时。
[0052]在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,所述四酸为芳香族四酸,所述四胺为芳香族四胺。 [0053]在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述芳香族四酸选自以下物质中的一种或几种:3, 3',4,4'_联苯四甲酸、3,3',4,4'_二苯酮四甲酸、2,2',3,3'_二苯酮四甲酸、3,3',4,4'_二 苯醚四甲酸、3,3',4,4'_二苯基甲烷四甲酸、3,3',4,4'_双三氟甲基二苯基四甲酸、1,4,5, 8-萘四甲酸、1,2,5,6_萘四甲酸、2,3,6,7_萘四甲酸、2,3,5,6_吡啶四羧酸、1,2,4,5_苯四 甲酸、3,3',4,4'_二苯硫醚四甲酸、3,3',4,4'_三苯二醚四酸、双酚A二醚四酸、2,3,3',4'_ 联苯四羧酸、2,2',3,3'_联苯四羧酸。
[0054] 一种实施方式中,优选地,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/ 氧化石墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述芳香族四酸为3,3',4,4' -三苯二醚四 酸。
[0055]在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述芳香族四胺选自以下物质中的一种或几种:3, 3',4,4'_联苯四胺、1,2,4,5_苯四胺、2,3,5,6_四氨基吡啶、3,3',4,4'_四氨基二苯硫醚、 1,4_双(3',4'_二氨基苯氧基)苯、1,3_二(4'_二氨基苯氧基)苯、1,2_双(3',4'_二氨基苯 氧基)苯、4,4'_双(2_二氛基苯氧基)二苯讽、3,3',4,4'_四氛基二苯讽、3,3',4,4'_四氛 基二苯甲酮、1,2,5,6_四氨基萘、3,3',4,4'_四氨基二苯甲烷、2,2_双-[4-(3,4_二氨基苯 氧基)苯基]丙烷。
[0056]在一种实施方式中,优选地,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚 胺/氧化石墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述四胺为1,3-二(4'_二氨基苯氧基) 苯。
[0057] 在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,所述步骤(4)得到的复合纳米纤维中,聚酰亚胺为具 有以下结构的聚酰亚胺共聚物:
[0058]
[0059]其中,R!基团为芳香族二酐的残基,此为脂肪族二胺的残基。
[0060] 聚酰亚胺共聚物中,主链中柔性的脂肪链破坏了主链的共辄结构,聚酰亚胺的柔 性提高,进而提高复合材料的柔韧性,弥补了复合材料中聚吡咙韧性较差的缺点。聚酰亚胺 中的侧基同时含有醚键与苯环,能够提高聚酰亚胺共聚物的耐磨性。
[0061]在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,所述聚酰亚胺共聚物中Ri基团为芳香二酐的残基, 具体地,Ri为以下结构中的一种或几种:
[0062
[0063]在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,所述用于制备聚酰胺酸溶液的芳香族二胺为具有以 下结构的二胺:
[0064]
[0065] 以下简称具有上述结构式的芳香二胺为芳香二胺A。
[0066] 上述芳香二胺A的合成方法如下:依次将4,V -二氨基二苯醚,铝粉,三氯化铝投入 2L高压反应釜中,它们的物质的量比为40: 3:1,反应釜用氮气置换,搅拌升温至150~200 °C,反应并保温30分钟以上,然后降温至150°C以下,排气,并用氮气置换。将反应釜升温至 150~170°C,通入烯丙基苯基醚,维持压力在4.0~6. OMpa,反应2~10小时,反应结束后分 离提纯,得到芳香二胺A。
[0067] 在一种实施方式中,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚胺/氧化石 墨稀三元纳米复合材料的制备方法中,所述聚酰亚胺共聚物中的R2基团选自以下二胺中一 种或几种的残基:1,2_二氨基乙烧、1,3-二氨基丙烷、1,4_二氨基丁烧、1,5-二氨基戊烧、1, 6_二氛基己烧,1,7_二氛基庚烧、1,8_二氛基辛烧、1,9_二氛基壬烧、1,10-二氛基癸烧、1, 1卜二氨基十一烧、1,12-二氨基十二烧、1,13-二氨基十二烧、1,14-二氨基十四烧、2-甲基-1,5_二氛基戊烧、2_甲基_1,8_二氛基辛烧、3_甲基己二胺、2,5_二甲基己二胺、2,2,4_和2, 4,4_二甲基己二胺、2,2,7,7_四甲基辛二胺、5_甲基_1,9_二氛基壬烧。
[0068]在一种实施方式中,优选地,本发明所述的一种基于分子组装的聚吡咙/聚酰亚 胺/氧化石墨烯三元纳米复合材料的制备方法中,用所述聚酰亚胺共聚物中的R2基团为1, 12-二氨基十二烧的残基。<
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