一种石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的制备
日期：2019-03-04 10:45
石墨烯是碳原子间SP杂化成键,排列成二维蜂窝状晶格的单原子层平面晶体,它具有大比表面积,优异的电学、热学和力学性能,石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高100倍。使用石墨烯与基体聚合物复合制备复合材料或纤维,能够明显改善材料的性能,如提高力学性能,改善电学、耐热性能等。东华大学的张清华教授等首次报道了一种利用石墨烯增强聚酰亚胺纤维制备石墨烯/聚酰亚胺复合纤维的方法。
以天然石墨或人造石墨为原料,采用 Hummer法、 Staudenmaier法或 Brodie法制备氧化石墨,将氧化石墨分散于水中,经超声处理后离心、洗涤、真空干燥得到氧化石墨烯。在常温下将氧化石墨烯超声分散于DMF、DMAc、NMP、DMSO等有机溶剂中,得到氧化石墨烯悬浮液。
纺丝溶液的制备有两种方法:一是用二酐和二胺制备聚酰胺酸溶液,然后将分散在相同溶剂中的石墨烯或氧化石墨烯加入聚酰胺酸溶液中,得石墨烯/聚酰胺酸纺丝原液;二是采用原位聚合方法,在有机溶剂中将二胺、二酐和上述石墨烯或氧化石墨烯混合均匀,在脱氧条件下缩聚,得石墨烯/聚酰胺酸纺丝原液。将上述纺丝原液通过湿法或干喷-湿法纺丝纺得石墨烯/聚酰胺酸初生纤维,真空干燥后,再经酰亚胺化和拉伸制得石墨烯/聚酰亚胺复合纤维。
表5-7 石墨烯/聚酰亚胺复合纤维纺丝条件和力学性能
从表5-7可见,所制备的石墨烯/聚酰亚胺复合纤维有优异的力学性能。这种方法采用剥离的石墨烯片层作为聚酰亚胺纤维的添加材料,解决了石墨烯在基体聚合物中的分散不均匀和界面黏合性问题,同时改善了PA溶液的可纺性,提高了PAA纤维的稳定性,有利于改善纤维性能,从而制备性能优异的石墨烯/聚酰亚胺复合纤维,可以用于材料增强、导电、抗静电、导热等多个领域。
此外,他们还采用如图5-14所示的一步原位聚合的方法制备了氧化石墨烯增强的聚酰亚胺纤维。将天然石墨采用 Hummer方法进行氧化处理得到氧化石墨烯GO。通过溶剂交换方法制备GO/NMP胶体溶液,在氮气气氛下将ODA加入上述溶液后80℃搅拌24h,将混合物过滤并用NMP洗涤数次以除去过量的ODA,最后真空干燥得GO-ODA纳米片。采用原位聚合方法合成cn溶溶液进行过滤和脱泡,采用湿法纺丝技术纺制纤维,然后以不同的比纺丝ooEN性聚酰亚胺/GO-ODA纺丝溶液以及与之对照的聚酰亚胺/GO纺丝溶液将得到复合纤维。
对CO、C0-ODA分散稳定性研究结果显示,超声分散后放置两个月,C0的溶液出现明显聚集,而CO-0DA则可以稳定地分散在常规有机溶剂如DMF、ODMAc、NMP、DMSO中。通过原位聚合能确保 GO-ODA在聚合物基质中的优C良分散性和良好相容性。广角X射线研究结果表明,这些二维纳米片对聚合物链的结晶、聚集或组装行为产生显著影响。纯聚酰亚胺纤维沿纤维轴方向的WAXD在12.9°和17.1°有两个强衍射峰,随着GO-ODA添加含量的增加,在28为17.1°的峰的衍射强度降低,峰位也降低,表明纤维的结晶度下降,晶粒尺寸和晶面间距增加。作者认为这可能是由于G0-ODA纳米片可以作为交联剂,限制链段运动的结果。对纤维的力学性能研究显示开始随着GO-ODA添加含量的增加,纤维的拉伸强度和拉伸模量均增加,然而当添加量达到1.0%(质量分数)时纤维的拉伸强度略微下降。含有0.8%(质量分数)G0-ODA的复合纤维有最好的力学性能,拉伸强度为2.5Pa(是纯聚酰亚胺纤维的1.6倍),拉伸模量为126GPa(是纯聚酰亚胺纤维的23%)。另外,石墨烯的引入显著提高了复合纤维的玻璃化转变温度和热稳定性。由于石墨烯优良的疏水性,乙醇和异丙醇的接触角为140°,该复合纤维的疏水特性随着GO-ODA添加量的增加而增加,当GO-ODA添加1.0%(质量分数)时,接触角由纯聚酰亚胺纤维的63.6°增加到了100.3°
上一篇：碳纳米管掺杂聚酰亚胺纳米纤维膜