石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜的制備及性能

郝艷萍, 趙 昕, 王永生, 任堅(jiān)理, 張清華

(東華大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院; b.纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜的制備及性能

郝艷萍a, b, 趙 昕a, b, 王永生a, b, 任堅(jiān)理a, b, 張清華a, b

(東華大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院; b.纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620)

分別以氧化石墨烯(GO)和改性氧化石墨烯(iGO)為添加物, 通過(guò)溶液混合的方法制備了氧化石墨烯/聚酰亞胺(GO/PI)和改性氧化石墨烯/聚酰亞胺(iGO/PI)復(fù)合膜, 采用傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、熱機(jī)械分析儀對(duì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行分析.結(jié)果表明: iGO/PI復(fù)合膜的相容性及拉伸力學(xué)性能均高于GO/PI復(fù)合膜; GO的加入使GO/PI復(fù)合膜的玻璃化溫度較純PI膜升高, 而iGO使iGO/PI復(fù)合膜的玻璃化溫度較純PI膜降低.

聚酰亞胺; 氧化石墨烯; 改性氧化石墨烯; 力學(xué)性能; 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

聚酰亞胺(PI)具有優(yōu)異的熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性、介電性能和力學(xué)性能等, 可以應(yīng)用于航空航天、機(jī)械電子等領(lǐng)域[1-5], 是應(yīng)用較為廣泛的高性能聚合物之一.一直以來(lái), 研究者在碳材料改性聚酰亞胺方面作了很多努力, 以期望獲得更好的熱性能和力學(xué)性能, 如采用碳納米管和碳纖維改性聚酰亞胺, 可提升復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性等.石墨烯的發(fā)現(xiàn)為碳材料改性聚酰亞胺提供了新的途徑[6-11], 有研究表明, 采用石墨烯改性聚酰亞胺可使復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能、耐熱性能得到提升[5-6].由于石墨烯在有機(jī)高分子材料中的分散性比較差、易團(tuán)聚, 影響了石墨烯/聚合物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能.石墨烯改性可以有效地改善團(tuán)聚現(xiàn)象[7-11], 從而實(shí)現(xiàn)石墨烯/聚合物納米復(fù)合材料的制備.

本文采用十八烷基異氰酸酯(C18H36NCO)對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行了共價(jià)鍵功能化改性, 用溶液共混的方法分別制備了氧化石墨烯/聚酰亞胺(GO/PI)和改性氧化石墨烯/聚酰亞胺(iGO/PI)復(fù)合材料, 并研究了石墨烯改性對(duì)聚酰亞胺薄膜的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)、熱力學(xué)等性能的影響.

1 試 驗(yàn)

1.1 主要原料

1, 2, 4, 5-均苯四甲酸二酐(PMDA), C10H2O6, 南京龍沙, 純度>99.5%, 白色粉末; 3, 3, 4, 4-聯(lián)苯四羧酸二酐(BPDA), C10H2O6, 河北海力精化, 純度>99.5%, 白色粉末; 4, 4-二氨基二苯醚(ODA), C12H12N2O, 東營(yíng)冠森絕緣制品, 純度>99.5%, 塊狀; 二甲基乙酰胺(DMAc), 工業(yè)純, 江蘇奧神新材料有限公司; 氧化石墨烯(GO), 常州第六元素材料科技股份有限公司; 十八烷基異氰酸酯(C18H36NCO), 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 二甲基甲酰胺(DMF), 分析純, 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 甲苯(C6H5CH3), 分析純, 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 石墨烯烷基化改性

把預(yù)先干燥過(guò)的GO(300 mg)、十八烷基異氰酸酯(3.5 g)和30 mL的DMF置于100 mL的燒瓶中, 在氮?dú)獗Ｗo(hù)下超聲混合2 h, 再室溫?cái)嚢?4 h.將反應(yīng)后的產(chǎn)物傾入三倍于反應(yīng)液的甲苯中, 離心分離, 再用甲苯離心洗滌兩次, 80 ℃真空干燥得烷基化改性的氧化石墨烯(iGO).

1.3 石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合材料的制備

向帶有電動(dòng)攪拌裝置、冷卻水循環(huán)裝置的5 L聚合釜中通入氮?dú)? 將332.34 g的ODA加入到聚合釜中, 再加入2 L的DMAc溶液, 通冷卻水循環(huán), 待ODA完全溶解后, 再將325.83 g的PMDA單體加入到聚合釜中, 并加入少量DMAc溶液進(jìn)行沖洗溶解.繼續(xù)攪拌待PMDA單體完全溶解后, 再加入48.83 g BPDA單體并同時(shí)加入剩余的DMAc進(jìn)行沖洗溶解, 繼續(xù)攪拌充分反應(yīng), 黏度逐漸上升.約0.5 h后黏度明顯上升, 此時(shí)溶液呈現(xiàn)淺黃色, 繼續(xù)攪拌約2 h后得到結(jié)構(gòu)組成為ODA-PMDA-BPDA三元共聚體的聚酰胺酸(PAA)溶液.

稱取一定量干燥后的GO, 溶于DMAc中, 超聲2 h, 得到GO在DMAc中的分散液.將一定比例的GO溶液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的PAA溶液及DMAc溶劑混合攪拌4 h，制備得到不同GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PAA溶液.將以上制備的GO/PAA溶液流延至玻片上, 置于烘箱中70 ℃抽真空加熱10 h得到GO/PAA復(fù)合薄膜.將復(fù)合薄膜置于高溫烘箱中, 在100、200、300 ℃下各恒溫處理1 h, 得到氧化石墨烯/聚酰亞胺(GO/PI)復(fù)合薄膜.采用同樣的方法制備iGO/PI復(fù)合薄膜.文中樣品名稱后綴數(shù)字為添加GO或iGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù), 如: GO/PI-1.0是指GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的GO/PI復(fù)合薄膜, iGO/PI-3.0是指iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的iGO/PI復(fù)合薄膜.

1.4 測(cè)試與表征

將膜樣品在液氮中淬斷, 噴金后用日本日立公司的S-3000 N型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品進(jìn)行形貌觀察.采用美國(guó)Nicolet公司的Nicolet-20sx-B型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對(duì)制備的薄膜樣品在波段400～4 000 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行紅外測(cè)試.動(dòng)態(tài)力學(xué)(DMA)性能用TA Q800型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀測(cè)得, 樣品為薄膜, 升溫區(qū)間為-130～500 ℃, 升溫速率為10 ℃/min.材料的力學(xué)性能用Instron 5969型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)得, 薄膜拉伸模式, 夾具距離為40 mm, 拉伸速率為10 mm/min, 通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)得薄膜樣品尺寸為(80±3) mm×(6±1) mm, 厚度為0.8～1.2 mm, 每組試樣測(cè)5次, 取平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 改性石墨烯和石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜的FT-IR分析

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) FT-IR

(a) 500～4 000 cm-1

(b) 2 000～4 000 cm-1

2.2 石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜界面形態(tài)

不同GO或iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GO/PI和iGO/PI復(fù)合薄膜樣品的斷面掃描電子顯微鏡圖如圖3所示.由圖3可以看出, 純PI膜的斷面光滑致密, 而GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜的斷面粗糙并出現(xiàn)空洞.這主要是由于樣品在液氮中淬斷制樣時(shí), GO或iGO吸收斷裂能量引起附近材料微結(jié)構(gòu)發(fā)生形變甚至石墨烯片層斷裂和被扯出, 形成了粗糙的表面和孔洞[14-15].iGO或GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大, 表面空隙越明顯.相對(duì)而言, iGO/PI復(fù)合膜的斷面微孔尺寸小、數(shù)量少, 主要得益于iGO和PI有較好的界面作用.iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的iGO/PI復(fù)合膜的斷面呈現(xiàn)明顯的鱗片狀突起, 原因是iGO片層在PI基體內(nèi)形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而使其斷面呈現(xiàn)連續(xù)細(xì)鱗狀的形態(tài), 相似的斷面形態(tài)結(jié)構(gòu)在改性石墨烯和PI復(fù)合膜的研究中也有報(bào)道[16].在iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至5.0%時(shí), iGO/PI復(fù)合膜的斷面孔洞尺寸變大且數(shù)量增多, 并呈現(xiàn)層層排列整齊斷裂的結(jié)構(gòu).其原因可能是iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較大時(shí), 在制膜過(guò)程中iGO片層在PI基體內(nèi)發(fā)生了團(tuán)聚從而層疊在一起, 使iGO與PI基體黏接力變?nèi)?文獻(xiàn)[17]研究表明, 氧化石墨烯在聚合物內(nèi)極易發(fā)生團(tuán)聚, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的GO就可以在原位聚合的聚氨酯/氧化石墨烯中出現(xiàn)團(tuán)聚體, 故iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.0%時(shí)iGO/PI復(fù)合薄膜內(nèi)不可避免會(huì)出現(xiàn)iGO大量團(tuán)聚體，并使復(fù)合膜的斷面形態(tài)發(fā)生變化.

圖3 PI、GO/PI和iGO/PI薄膜SEM斷面圖Fig.3 SEM images of the cross section of PI, GO/PI and iGO/PI films

2.3 石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合材料的力學(xué)性能

對(duì)GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜分別進(jìn)行了力學(xué)拉伸測(cè)試, 結(jié)果見(jiàn)圖4和表1所示.由圖4(a)可以看出, 與純PI膜相比, GO/PI復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度在GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)有微弱的提升, 總體增強(qiáng)效果有限, 而iGO/PI復(fù)合膜比純PI膜及GO/PI復(fù)合膜的增強(qiáng)效果明顯.在iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí),iGO/PI復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度從純PI膜的52.0 MPa提升至93.2 MPa, 增加了近80%.但當(dāng)iGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至5.0%時(shí), 因iGO在PI基體內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚而使其拉伸強(qiáng)度及拉伸模量出現(xiàn)下降. iGO/PI復(fù)合膜比GO/PI復(fù)合膜的拉伸力學(xué)性能好的原因在于: (1)經(jīng)異氰酸酯修飾后的石墨烯片層上有長(zhǎng)的烷基長(zhǎng)鏈, 這些有機(jī)烷基長(zhǎng)鏈在石墨烯的無(wú)機(jī)片層和PI的有機(jī)長(zhǎng)鏈中起到了相容劑的作用, 減少了石墨烯片層與PI基體結(jié)合部的應(yīng)力缺陷; (2)經(jīng)異氰酸酯修飾后的石墨烯與PI分子鏈中存在較強(qiáng)的分子間作用力, 使得iGO/PI復(fù)合膜的力學(xué)性能提升, 而GO與PI分子鏈間只有微弱的范德華力相連接，使得GO/PI復(fù)合膜的力學(xué)性能提升不明顯.

(a) GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度

(b) GO/PI的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(c) iGO/PI的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖4 GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜的拉伸力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties of GO/PI and iGO/PI films

表1 GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

注： 3處數(shù)據(jù)缺失因試驗(yàn)條件限制從而沒(méi)有得到相應(yīng)數(shù)據(jù).

2.4 石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試所得力學(xué)損耗與溫度的關(guān)系如圖5所示.

圖5 GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜的DMA譜圖Fig.5 DMA curves of GO/PI and iGO/PI films

由圖5可以看出, 在添加了GO及iGO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%)后復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg發(fā)生了變化.純PI膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為386 ℃, 在此溫度PI分子鏈段開(kāi)始“解凍”, 鏈段的運(yùn)動(dòng)被激發(fā).GO/PI復(fù)合膜的Tg為391 ℃, 比純PI膜升高了5 ℃.原因是GO片層的存在使得PI鏈段的運(yùn)動(dòng)有所限制, 鏈段的松弛轉(zhuǎn)變困難, 需要更大的能量才能完成, 所以Tg的峰值向右偏移.但iGO/PI復(fù)合膜的Tg為367 ℃, 比純PI膜下降了19 ℃.可能的原因是iGO片層表面的烷基長(zhǎng)鏈起到“潤(rùn)滑劑”的作用, 有利于PI分子鏈段的運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致Tg下降.

圖6為不同iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的iGO/PI復(fù)合膜的DMA譜圖, 其中300～400 ℃處對(duì)應(yīng)的α轉(zhuǎn)變溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg, -80 ℃左右存在一個(gè)β次級(jí)轉(zhuǎn)變, 為PI分子鏈中基團(tuán)運(yùn)動(dòng)的體現(xiàn).不同iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的iGO/PI復(fù)合膜的兩個(gè)次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度如表2所示.

圖6 不同iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下iGO/PI復(fù)合膜的DMA譜圖Fig.6 DMA curves of iGO/PI films with different iGO mass fraction

表2 iGO/PI復(fù)合膜的α和β轉(zhuǎn)變溫度表

由圖6和表2可以看出, iGO/PI的Tg隨著iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加向低溫方向移動(dòng), 但當(dāng)iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.0%時(shí), 因石墨烯片層在PI基體中發(fā)生大量團(tuán)聚, 限制了PI分子鏈段的運(yùn)動(dòng), 故Tg不再向低溫繼續(xù)偏移而有所回升.對(duì)于β次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度, 其變化趨勢(shì)為隨著iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后升高. 原因是添加了iGO后, PI分子鏈與iGO片層上基團(tuán)形成氫鍵, 限制了PI分子鏈上的部分基團(tuán)的運(yùn)動(dòng), 所以次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度降低, 但當(dāng)iGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí), 石墨烯片層因團(tuán)聚導(dǎo)致氫鍵的數(shù)量變少, 故次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度又上升.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文成功制備了GO/PI和iGO/PI復(fù)合膜, 通過(guò)觀測(cè)復(fù)合膜截面形態(tài), 發(fā)現(xiàn)iGO與PI基體界面相互作用比GO/PI復(fù)合膜好.薄膜的拉伸力學(xué)性能測(cè)試表明, iGO/PI復(fù)合膜的拉伸力學(xué)性能優(yōu)于GO/PI復(fù)合膜.DMA分析發(fā)現(xiàn), 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)同為1.0%的情況下, 與純PI薄膜相比, GO/PI復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度略微提升, iGO/PI復(fù)合膜的玻璃化溫度下降.

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(責(zé)任編輯: 徐惠華)

Preparation and Properties of Graphene/Polyimide Composite Films

HAOYanpinga, b,ZHAOXina, b,WANGYongshenga, b,RENJianlia, b,ZHANGQinghuaa, b

(a.College of Materials Science and Engineering; b. State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Graphene oxides/polyimide (GO/PI) composite films and modified graphene oxides/polyimide (iGO/PI) composite films were successfully prepared by the solution blending method. The structures and properties of GO/PI and iGO/PI composite films were investigated by Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscope, micro-controlled electronic universal tensile testing machine and dynamic mechanical analysis. The results show that the compatibility and tensile mechanical properties of iGO/PI composite films are much higher than those of GO/PI composite films. The glass transition temperature (Tg) of GO/PI composite films is slightly higher than that of the PI, while iGO/PI composite films show a decreasedTg.

polyimide; graphene oxides; modified graphene oxide; mechanical property; dynamic mechanical properties

1671-0444 (2017)02-0155-06

2016-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51233001)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目

郝艷萍(1977—)，女，河南新鄉(xiāng)人，博士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)合材料.E-mail: hyping@dhu.edu.cn 張清華(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: qhzhang@dhu.edu.cn

TB 332

A