[发明专利]石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料及其制备方法与应用。所述石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料主要由石墨烯二维纳米片、聚酰亚胺以及聚苯胺纳米纤维和/或聚苯胺纳米粒子复合形成。本发明的石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料具有优异的力学性能、耐高温性能以及耐磨性能，特别是具有低的摩擦系数和磨损率，可应用在航天航空，建筑、化工、石油、电力、冶金、船舶、轻纺、储存、交通、航天等行业中颗粒、煤粉、粉尘、烟气、液体长时间的耐冲刷耐磨防腐领域，同时其制备工艺简单，原料来源广泛，利于规模化实施。

技术领域

本发明具体涉及一种石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料及其制备方法与应用，属于高分子纳米复合材料领域。

背景技术

聚酰亚胺(PI)具有优良的力学性能，优异的热稳定性和较低的介电常数，已被广泛应用在微电子学，航空航天工程，粘合剂，燃料电池等领域。但是聚酰亚胺自身也存在一些不足，因此限制了它的应用。比如在航天领域，高能粒子的辐射会使聚酰亚胺发生电荷累积，形成电流树，原子氧能量高，对PI本体形成“剥蚀”降低材料力学性能，使材料失效。同时，航天领域环境恶劣，对材料的耐温性能要求也很高，但聚酰亚胺的耐温性无法到达这样的要求；另外，聚酰亚胺具有较高的摩擦系数，限制了其在绝缘导热领域的应用。

目前有关聚酰亚胺复合材料的研究有很多,但在摩擦磨损性能方面的研究较少。现如今聚酰亚胺摩擦学改性研究逐渐增多,不再像以前手段单一,改善效果有限等,主流研究主要是从结构改性和复合改性两方面出发,比如,从链段设计角度出发,在前驱体缩聚反应中引入苯乙炔封端剂制备了不同分子量的预聚体,再经过加成反应制备了封端改性聚酰亚胺基体材料；其次,从界面设计角度出发,以不同的填料(如石墨烯，氮化硼等)或者不同表面修饰的填料,或以化学复合方式如氧化石墨烯/纳米聚四氟乙烯复合填料,通过原位聚合或者直接共混的方式来制备聚酰亚胺复合材料。前者反应复杂，成本较高，效果不佳；后者主要集中于石墨烯的表面共价键修饰，但是该技术会破坏石墨烯的结构，一定程度上影响复合材料性能的提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明提供了一种石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料，其包括石墨烯二维纳米片、聚酰亚胺以及聚苯胺纳米纤维和/或聚苯胺纳米粒子。

进一步的，所述石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料由石墨烯二维纳米片、聚酰亚胺以及聚苯胺纳米纤维或纳米粒子复合形成。

本发明还提供了一种石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料的制备方法，包括：

将石墨烯二维纳米片与聚苯胺纳米纤维和/或聚苯胺纳米粒子在溶剂中混合，获得石墨烯二维纳米片的分散液；

将所述石墨烯二维纳米片的分散液与芳香型二胺及芳香型二酐混合，并使芳香型二胺及芳香型二酐原位聚合形成聚酰胺预聚物/石墨烯复合物，之后使聚酰胺预聚物发生亚胺化反应，从而获得所述石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料。

在一些实施方案中，可以通过梯度升温使聚酰胺预聚物/石墨烯复合物中的聚酰胺预聚物亚胺化而获得所述石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料。

在一些实施方案中，所述的制备方法包括：将石墨烯粉体和/或石墨烯二维纳米片与聚苯胺纳米纤维和/或聚苯胺纳米粒子在溶剂中混合，获得石墨烯二维纳米片的分散液。。

进一步的，前述聚酰亚胺包括缩聚型芳香聚酰亚胺，例如可优选由芳香型二胺与芳香型二酐原位聚合形成。

本发明还提供了所述石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料的应用，例如，所述石墨烯增强聚酰亚胺纳米复合材料于制备至少具有防腐耐磨性能的防护结构中的用途。