[发明专利]一种一步法制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料及其应用

说明书

本发明涉及阻燃材料和光电领域，具体地讲，涉及一种一步法制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料及其应用。在保护气氛下，将黑磷或黑磷烯分散于非质子极性有机溶剂；再加入聚酰亚胺体系的酸酐和聚酰亚胺体系的胺，而后使黑磷或黑磷烯充分剥离成纳米级分散于体系中，控制物料温度为室温或低于室温，反应形成聚酰亚胺酸插层和/或包覆黑磷烯，最终升温至脱除溶剂，固化反应一段时间，制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料。不仅提升材料的各项力学性能，特别是提高聚酰亚胺的热尺寸稳定性和降低其吸水率，还拓宽了聚酰亚胺在光电领域的应用。

技术领域

本发明涉及阻燃材料和光电领域，更具体地，涉及一种一步法制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料及其应用。

背景技术

聚酰亚胺(PI)是一种特种工程塑料，广泛应用于航空航天、微电子和光电领域。它具有优良的化学稳定性、耐磨性、耐高温性能、电绝缘性和力学性能。然而，聚酰亚胺的酰亚胺键导致吸水率高，分子主链上的苯环和酰亚胺环导致热尺寸稳定性差等缺点限制了其在高温和精密状态下的应用。无机纳米材料具有很低的热膨胀系数和较低的吸水性，适合改进PI的缺点。传统的无机纳米粒子主要有SiO₂、TiO₂、POSS、粘土和碳纳米管等。然而，这些无机纳米粒子仍存在与PI相容性差、分散不均、易团聚和沉降等问题。即使利用有机表面改性剂对无机纳米粒子进行有机改性，提高无机纳米粒子与PI基体的相容性，但又存在有机改性剂对PI体系阻聚，有机改性过程繁琐等问题。

黑磷烯作为一种新无机二维纳米材料应用于聚酰亚胺鲜有报道。黑磷烯可由黑磷经机械剥离法和液相剥离法制得。液相剥离法更具其优势，其原理是当化学溶剂的表面能与二维材料相匹配时，溶剂与二维材料之间的相互作用可以平衡剥离该材料所需的能量，通过超声就可把块体材料剥离成片层材料。液相剥离法制备原子层黑磷具有产量较高、设备要求低等优势，同时有机试剂的存在可减缓其降解，但所得产品尺寸小且有机溶剂难以去除。

经检索，鲜有技术涉及黑磷烯原位改性聚酰亚胺的报道。检索到的一篇授权专利：一种黑磷改性的聚酰亚胺复合材料及其制备方法和应用（CN109880365B）。该专利并未涉及黑磷烯，未涉及聚酰亚胺的聚合，该专利只是利用已聚合好的聚酰亚胺粒子和黑磷等物质于无水乙醇中混合，再除去乙醇得到干混料，最后加压烧结，制得黑磷改性聚酰亚胺复合材料。其中的黑磷只是作为一种摩擦的润滑剂，其根本上是一种聚合物与无机粒子的熔融共混。

发明内容

本发明主要针对聚酰亚胺无机纳米杂化材料中，无机粒子分散性差、相容性差和易团聚等缺点。另外，针对黑磷烯易降解且难以大量和聚合物复合的缺点。提供一种一步法制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料，该复合材料利用含有聚酰亚胺体系的溶剂和单体对黑磷进行插层，再利用超声波剥离法进一步使黑磷在体系中剥离成黑磷烯，利用预聚的聚酰亚胺酸使黑磷烯纳米级分散于聚酰亚胺体系中，最终升温固化一步法制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料。不仅提升材料的各项力学性能，特别是提高PI的热尺寸稳定性和降低其吸水率，还拓宽了其在光电领域的应用。

本发明通过以下技术方案予以实现：

公开的一步法制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料，在保护气氛下，将黑磷或黑磷烯分散于非质子极性有机溶剂；再加入聚酰亚胺体系的酸酐和胺，而后使黑磷或黑磷烯充分剥离成纳米级分散于体系中，控制物料温度为室温或低于室温，反应形成聚酰亚胺酸插层和/或包覆黑磷烯，最终升温至脱除溶剂，固化反应一段时间，制备聚酰亚胺/黑磷烯纳米杂化材料。

进一步地，所述黑磷包括块状黑磷和低维黑磷，所述块状黑磷为由白磷或红磷在高温高压下转化而来，所述黑磷烯由液相剥离法在聚酰亚胺体系中制备。

进一步地，按质量组分计：黑磷或黑磷烯1~50份，非质子极性溶剂100~400份，聚酰亚胺体系的酸酐20~100份，聚酰亚胺体系的胺20~200份。

进一步地，所述黑磷烯的粒径为10nm~100μm，片层厚度为1~200nm。