聚酰亞胺取向納米復(fù)合膜的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、聚酰亞胺作為一種高性能的特種工程塑料已被廣泛應(yīng)用于電子電器、隔膜、復(fù)合材料以及航天航空等領(lǐng)域。隨著科技的進步和社會的發(fā)展，人類對材料的要求越來越高，材料的單一功能及特點已無法滿足實際應(yīng)用的需求。將其它無機或有機納米材料與聚酰亞胺結(jié)合，制備具有高性能及多功能的聚酰亞胺納米復(fù)合材料具有重要意義和研究價值。
　　 對于聚合物基納米復(fù)合材料，納米粒子在基體中的均勻分散至關(guān)重要。通過對聚合物或納米粒子進行改性，可提高基體與填料之間的相容性

2、，增加其界面相互作用。除了強界面相互作用外，具有高長徑比或徑厚比的一維或二維納米材料的取向?qū)τ趶?fù)合材料的性能也同樣重要。制備具有特殊的各向異性材料對獲得具有高性能及多功能的高分子納米復(fù)合材料具有重要意義。本論文采用靜電紡絲、層層自組裝以及流平涂覆法制備了一系列聚酰亞胺取向納米復(fù)合膜，并對其結(jié)構(gòu)/形態(tài)和性能進行了表征，所得主要研究結(jié)果如下：
　　 1.采用靜電紡絲及高速轉(zhuǎn)輪接絲法制備得到了高度取向的純聚酰亞胺及其碳納米管含量為1

3、wt％至10 wt％的聚酰亞胺納米復(fù)合纖維膜。拉伸測試結(jié)果表明，高度取向的純聚酰亞胺納米纖維膜較傳統(tǒng)涂覆法得到的薄膜表現(xiàn)出顯著提高的拉伸強度和斷裂韌性。透射電子顯微鏡結(jié)果表明，靜電紡絲法是一種有效實現(xiàn)碳納米管在聚酰亞胺基體中高度取向的方法。經(jīng)化學(xué)改性后的碳納米管可在聚合物基體中均勻分散并高度取向，而未改性的碳納米管則易于在基體中形成團聚體，并向纖維表面遷移。由于改性后的碳納米管與聚酰亞胺基體間存在強界面相互作用，且能在聚合物纖維內(nèi)高度取

4、向，最終制得的高度取向的納米復(fù)合纖維膜表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。聚酰亞胺作為一種韌性較差的工程塑料，采用此法可制備得到斷裂伸長率達100％的聚酰亞胺納米復(fù)合膜。二維X射線衍射研究表明，電紡原位聚合得到的碳納米管/聚酰胺酸溶液，可獲得聚酰亞胺分子鏈取向度更高的納米纖維，從而得到的纖維膜表現(xiàn)出更好的機械性能。這些研究結(jié)果表明，靜電紡絲法是一種有效制備質(zhì)輕、高性能碳納米管/高分子復(fù)合纖維膜材料的方法。
　　 2.纖維類填料填充聚合物制備復(fù)

5、合材料的最關(guān)鍵因素是填料-聚合物間的強界面相互作用及纖維填料的高度取向。本論文將靜電紡絲得到的高取向聚酰亞胺及其復(fù)合纖維用作自增強填料，制備得到了同質(zhì)增強的質(zhì)輕聚酰亞胺納米復(fù)合膜。純聚酰亞胺納米纖維增強的聚酰亞胺復(fù)合膜表現(xiàn)出更低的密度和較好的透明性。由于聚酰亞胺纖維為高度取向狀態(tài)，且其與聚酰亞胺基體間有非常好的相容性和界面相互作用，因此制備得到的同質(zhì)增強聚酰亞胺復(fù)合膜具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)性能。當(dāng)采用碳管含量為2 wt％的聚酰亞胺電紡纖維

6、作為增強材料時，聚酰亞胺納米復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別提高了138％和104％。這種高取向納米纖維同質(zhì)增強法是制備質(zhì)輕且具有高性能高分子納米復(fù)合材料的一種有效而簡單的方法。
　　 3.以靜電紡絲得到的高度取向的聚酰亞胺納米纖維膜為模板，在其表面原位生長聚苯胺。研究結(jié)果表明，不同氧化劑由于其氧化/還原電勢不同，會對聚苯胺的生長形態(tài)產(chǎn)生重要影響。采用三氯化鐵在聚酰亞胺纖維表面氧化聚合得到的聚苯胺具有納米級結(jié)構(gòu)，且得到的聚苯胺/

7、聚酰亞胺復(fù)合纖維膜較純聚酰亞胺纖維膜的熱穩(wěn)定性得到了顯著提高。采用原位生長法制備得到的聚苯胺/聚酰亞胺取向納米復(fù)合膜具有各向異性的電導(dǎo)率、較好的pH敏感性以及電磁屏蔽性能，有望被應(yīng)用于pH檢測以及電磁屏蔽材料領(lǐng)域。此法為制備高性能與多功能一體化的高分子復(fù)合材料提供了一條新途徑。
　　 4.由于氧化石墨可在高溫處理過程中發(fā)生部分還原和剝離，因此，本論文以氧化石墨烯/聚酰胺酸復(fù)合膜為前驅(qū)體，通過聚酰亞胺的高溫亞胺化過程，一步法成功制

8、備得到了均勻分散的官能化石墨烯/聚酰亞胺納米復(fù)合取向膜。研究表明，由于官能化石墨烯的高徑厚比、涂覆液的流動以及官能化石墨烯與聚合物基體間的強界面相互作用，官能化石墨烯不僅在基體中獲得均勻分散，而且沿著聚酰亞胺膜表面方向獲得了高度取向。制備所得的取向納米復(fù)合膜的力學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性由于官能化石墨烯的引入而得以顯著提高。
　　 5.采用尿素水解法與改進的尿素水解.水熱法制備了具有不同陽離子組成的層狀雙氫氧化物(LDH)，研究表明，采用

9、水熱法制備得到的LDH具有高的結(jié)晶度和規(guī)整的形貌。高度結(jié)晶的碳酸根插層的Co-A1層狀雙氫氧化物可通過離子交換而制得一系列其它陰離子插層的LDH。通過將硝酸根插層的LDH進行機械處理，可得到帶正電的、單片剝離的、具有高徑厚比的LDH納米片層。聚酰胺酸鹽作為聚酰亞胺的一種重要前驅(qū)體，可溶解于水中，并電離得到帶負電的大分子陰離子。剝離的LDH片層可與聚酰胺酸鹽之間進行靜電層層自組裝，紫外光譜和X射線衍射結(jié)果均表明了靜電層層自組裝過程的順利進