纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法

本发明属于复合材料，涉及纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法。

背景技术：

1、聚酰亚胺(pi)具有优异的力学性能、较高的热稳定性、耐溶剂腐蚀性，以及良好的电绝缘性。聚酰亚胺作为先进复合材料树脂基体中耐温等级极高的树脂，长期使用温度超过300℃，短期使用温度超过500℃，可作为特种工程塑料或高温复合材料基体树脂，在航空、航天、机械、石油化工、微电子等高技术领域广泛使用。不论是作为结构材料或是作为功能性材料，其巨大的应用前景已经得到充分的认识。聚酰亚胺在航空航天领域可用于替代金属和陶瓷作为结构件，但是聚酰亚胺自身耐高温性能有限，暴露于充足的热量和氧气环境下，会发生热氧化损伤，分解碳化，造成强度急剧下降，限制其进一步应用。

2、为了弥补聚合物的低强度、低耐温性，将聚合物与各种纳米填料进行混合，既能保证复合材料的高比强度和高韧性，又能提高其模量和高温性能。纳米填料具有独特的性能，增强了聚合物纳米复合材料的导电性和导热性、阻燃性、光学和机械性能、热膨胀、耐磨性、热变形、能量学等性能。常见的填料分为金属材料、碳基材料(纳米管、石墨烯、石墨片)和氧化物填料。然而，在聚合物中引入金属颗粒通常会降低复合材料的电绝缘和介电性能；碳材料虽然具有高导热性和重量轻，但材料的高成本和降低的电绝缘性能阻碍了其在工业中的实际应用。氧化物填料中，mgo虽然价格低廉，但会增加体系的粘度，耐腐蚀性差，在绝缘聚合物复合材料中应用范围窄。由于固有热导率低，zno在高热导率产品中的应用也受到限制。而al2o3具备良好的导热性、高强度和刚度、机械强度、对大多数酸和碱的惰性、高吸附能力、耐磨性、氧化性、热稳定性和电绝缘性等。此外，它价格低廉、无毒且磨蚀性强。al2o3纳米颗粒在催化剂或催化剂载体、电绝缘体、高压绝缘体、炉衬管、防弹装甲、耐磨管和测温传感器等领域具有很大的应用潜力。

3、现有技术中，纳米粒子由于粒径小，表面能大，处于热力学非稳定状态，由于强大的范德华力和静电活性，纳米填料表现出在溶剂中聚集的亲和力，加上亲水性的纳米颗粒和憎水性的聚合物相容性差，纳米粒子往往以大的团聚体形式分散于树脂基体中。聚酰亚胺基复合材料的性能受填料-聚合物界面相互作用的影响，无机纳米填料的浓度通常保持在10vol％以下。为了解决团聚，可采用插层复合和原位复合等特殊制备方法，但插层复合法仅针对黏土等少数具有层状结构的无机物，缺乏对纳米材料的普适性；原位复合法工艺繁琐，合成条件苛刻，价格昂贵，难以批量生产。复合材料的性能依赖于填料-聚合物的界面作用。纳米颗粒和树脂的粘结强度弱时，纳米颗粒容易因应力集中而率先剥离脱落，孔隙作为裂纹扩展和失效的位置，导致复合材料的性能下降。当颗粒的分散性好且与树脂界面结合高时，外力能传递到增强相中，纳米粒子还能钉扎裂纹，增大裂纹的扩展阻力，提高复合材料的强度。

技术实现思路

1、为了提高聚酰亚胺基复合材料的机械性能，使其更好的应用于服役环境严苛的工况，本发明目的在于提供纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法。

2、为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

3、纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，包括以下步骤按照质量份数比(50-90)：(10-50)，将聚酰亚胺粉料与表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末，混合均匀，得到混料；其中，表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末以及聚酰亚胺粉料的总的质量份数为100；

4、然后将混料进行高速搅拌，得到均匀弥散分布的粉料；

5、将均匀弥散分布的粉料通过热压成型及二次热压固化，得到纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料。

6、与现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：

7、本发明中利用表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末中的纳米氧化铝和聚酰亚胺分子链间相互作用，形成三维网状交联结构，纳米氧化铝的空间位阻效应阻碍了大分子链的移动，有效钉扎裂纹，增大裂纹的扩展阻力，提高了复合材料的强度。本发明中通过调控聚酰亚胺粉料与表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末的质量份数比(50-90)：(10-50)，能够得到综合性能优异的三维交联网状结构的高机械性能的复合材料。表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末中的纳米氧化铝颗粒可以延迟聚合物中热分解的开始，并在达到热分解温度后减慢热解聚合物的质量损失率，提高复合材料的热稳定性。均匀分布的纳米填料(氧化铝)导致增强的纳米复合材料行为，高界面粘附可以有效地将负载从聚合物传输到填料，纳米氧化铝颗粒增加裂纹扩展路径，提高机械性能。本发明具有操作工艺简便，重复性好，经济效益显著、结果准确可靠的特点，制备的填料中聚酰亚胺与氧化铝的界面相容性好，孔隙率低，压缩强度高。为了提高纳米颗粒的分散性，本发明中对复合材料进行二次固化可以使聚合物网络充分交联，促使复合材料的强度和刚度提高。本发明中利用表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末，能够提高颗粒与聚合物基体的相容性，增强复合材料的机械性能。

8、进一步的，本发明利用硅烷偶联剂对纳米氧化铝表面进行化学改性，以提高颗粒与聚合物基体的相容性，增强复合材料的性能。硅烷偶联剂的一端与纳米颗粒表面成键，可以降低粒子的团聚，保证纳米颗粒在聚合物中的分散性；另一端与聚合物搭接，改善界面相互作用。通过压缩强度以及物相分析，对比得到力学性能优异的聚酰亚胺基复合材料，有望在严苛服役环境领域获得实际使用。

技术特征：

1.纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺的粒径为2-10μm。

3.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，所述纳米氧化铝的粒径为20-30nm。

4.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，硅烷偶联剂为kh550，kh560，kh570，a-171或a-172。

5.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末通过以下过程制得：将氧化铝颗粒干燥后加入到乙醇中，超声分散30min，得到纳米氧化铝的乙醇溶液；将硅烷偶联剂加入到乙醇与水的混合溶液中，调节ph＝4-5，超声水解，然后加入到纳米氧化铝的乙醇溶液中，在75-85℃温度下搅拌反应3-5h，得到表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末。

6.根据权利要求5所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，乙醇与水的体积比为9:1。

7.根据权利要求4所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，硅烷偶联剂的质量为氧化铝粉末质量的5-8％。

8.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，高速搅拌的具体条件为：首先在搅拌转速为1000-3000转/min下搅拌60-70min，然后在搅拌转速为3000-5000转/min下搅拌30-40min。

9.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，热压成型的条件为：将均匀弥散分布的粉料在压力为100-150mpa，温度为220-240℃的条件下，保温保压30-120min。

10.根据权利要求1所述的纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，其特征在于，二次固化的具体过程为：先自室温升温至180-200℃保持1-2h，然后在200-220℃下保持1-2h，最后于230-250℃下保持4-6h。

技术总结
本发明公开了纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料的一体化制备方法，属于复合材料技术领域，包括：按照质量份数比(50‑90)：(10‑50)，将聚酰亚胺粉料与表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末，混合均匀，得到混料；然后将混料进行高速搅拌，得到均匀弥散分布的粉料；将均匀弥散分布的粉料通过热压成型及二次热压固化，得到纳米氧化铝改性聚酰亚胺复合材料。本发明中利用表面经硅烷偶联剂改性后的纳米氧化铝粉末中的纳米氧化铝和聚酰亚胺分子链间相互作用，形成三维网状交联结构，纳米氧化铝的空间位阻效应阻碍了大分子链的移动，有效钉扎裂纹，增大裂纹的扩展阻力，提高了复合材料的机械性能和热稳定性。

技术研发人员：白宇,曹静,王玉,李天昊,赵迪
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13