[發明專利]一種有序孔結構聚酰亞胺/石墨烯基復合碳泡沫及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 202111329089.2
• 申請日: 2021-11-10
• 公開（公告）號: CN113929077A
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 劉鵬波;蔣欣悅;鄒華維
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/184;C08J9/28;C08L79/08;C08K3/04;H05K9/00
• 代理公司: 成都高遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51222
• 代理人: 肖柯岑;張娟

本發明提供了一種有序孔結構聚酰亞胺/石墨烯基復合碳泡沫及其制備方法，通過將聚酰胺酸和氧化石墨烯的水分散液經定向冷凍、熱亞胺化制成具有有序孔結構的聚酰亞胺/石墨烯復合泡沫，再進行高溫碳化所得，制備方法簡單，易于操作。本發明具有有序孔結構的聚酰亞胺/石墨烯基復合碳泡沫密度低，熱導率低，且綜合性能優異，具有各向異性，可作為輕量化隔熱材料或電磁屏蔽材料使用，在航空航天、武器裝備等重要領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于復合材料領域，具體涉及一種有序孔結構聚酰亞胺/石墨烯基復合碳泡沫及其制備方法和用途。

背景技術

碳泡沫材料具有通過C-C原子之間相互連接，以C作為骨架的多孔狀網絡結構，是一種非常重要的輕質多孔材料，它不僅具有普通碳材料的諸多性能，而且還具有耐高溫、密度小、強度高、隔熱性能優良等特性和良好的導電、吸波性能，在電子、化工、航空航天、熱控材料等諸多領域都具有廣闊的應用前景。

自20世紀60年代碳泡沫被初次報道以來，研究者嘗試采用多種不同的前驅體和不同的發泡或制孔工藝，通過1000℃以下進行碳化處理，制備熱導率低、比強度高的無定形碳結構的碳泡沫。目前常用的碳泡沫前驅體為瀝青、煤、有機聚合物(如聚氨酯、酚醛樹脂)等，制備生產工藝大多較為復雜，步驟繁多，生產成本較高。此外制得的碳泡沫大多具有各向同性結構，不能滿足某些復雜應用下對材料各個方向不同性能的需求。

聚酰亞胺是一種具有出色的機械性能、穩定的化學性能和優異的熱穩定性的特種工程塑料。由于具有高溫惰性氣氛下的殘炭率高，分子結構可選擇性多，碳化和石墨化過程簡單等優點，聚酰亞胺(PI)也常被用作碳材料的聚合物前驅體，如以PI膜“Kapton”為前驅體可制備高質量的石墨膜。此外，聚酰亞胺也可以通過多種方式制成聚酰亞胺泡沫，因此聚酰亞胺也具備作為碳泡沫前驅體的潛力，但對其制備的碳泡沫性能的研究仍然較少。例如文獻(Li C,et al.Bio-molecule adenine building block effectively enhanceselectromagnetic interference shielding performance of polyimide-derivedcarbon foam[J].Carbon,2019,149:190-202.)采用凍干法制備了含腺嘌呤的聚酰亞胺泡沫，并將其作為聚合物前驅體進行碳化，制得的碳泡沫具有優異的電磁屏蔽性能，但其傳熱、力學等性能還需要進一步探究。

作為石墨烯的衍生物之一，氧化石墨烯表面含有羥基、羧基、羰基等豐富的含氧官能團，這些官能團可以顯著降低石墨片層間的范德華力，改善其在水中的分散性以及和聚合物的相容性。其進一步熱還原制備的石墨烯片具有高模量，可一定程度上對聚合物基體進行增強，是常用的改性聚合物填料，然而，將其作為碳泡沫填料使用對碳泡沫性能的影響尚鮮有報道。

總的來說，如何通過特定的前驅體、填料的使用，并通過簡單的制備方法實現對碳泡沫結構的控制和設計，制備具有優異隔熱性能、電磁屏蔽性能的有序孔各向異性結構的碳泡沫，拓寬碳泡沫材料的應用范圍，仍待進一步研究。

發明內容

本發明旨在通過一種工藝簡單、綠色環保的方法，制備得到一種具有優異的各向異性隔熱性能的新型輕質碳泡沫。

本發明提供了一種碳泡沫，它是以聚酰亞胺和石墨烯制成的復合碳泡沫。

進一步地，上述聚酰亞胺和石墨烯的質量比為100:(5～20)。

更進一步地，上述聚酰亞胺和石墨烯的質量比為100:(15～20)。

更進一步地，上述復合碳泡沫是以聚酰亞胺為基體，石墨烯為填料的復合泡沫經碳化制備而成的復合碳泡沫。

更進一步地，上述復合泡沫是：以聚酰胺酸、氧化石墨烯為原料，在水中分散均勻形成分散液后置于模具中，使用冷凍液冷凍，再進行冷凍干燥、熱亞胺化制得；優選地，所述冷凍是定向冷凍，所述定向冷凍的方法為：將裝有分散液的模具底部與冷凍液上表面貼合，進行冷凍。