含烯碳材料的杂环芳纶薄膜及制备方法与流程

本发明属于杂环芳纶材料领域，具体涉及一种含烯碳材料的杂环芳纶薄 膜及制备方法。

背景技术：

1、杂环芳纶是由对苯二胺、对苯二甲酰氯及含有杂环结构的二胺三种单体 共缩聚得到的。杂环芳纶相比对位芳纶和间位芳纶而言其具有低密度、超高 强度、超高模量、耐高温、抗冲击性好、耐磨性好、透波性好等优良性能， 是综合性能最好的有机材料之一，在航空、军工材料、高端民用材料上有着 广泛的应用。目前杂环芳纶主要以纤维材料的形式应用在各个领域，鉴于杂 环芳纶的特点，杂环芳纶薄膜在高分子薄膜材料领域同样具有很大的潜在应 用。

2、烯碳材料一般是指石墨烯、碳纳米管等纳米碳材料，石墨烯的二维片状 结构、碳纳米管的一维线状结构已经被证实可以用作各种材料的增强体，尤 其在是高分子材料。但是烯碳材料的尺寸特征，使得烯碳材料很难在高分子 等基体中有效均匀的分散，从而限制了其应用，为解决这一问题可以对烯碳 材料的尺寸进行调控、对烯碳材料进行物理和化学改性等方法，使得烯碳材 料较容易的分散在这些基体中，从而将烯碳材料的性能最大化利用。同时， 随着烯碳材料的引入，还会改变已有材料的介电性能和热性能，使得引入烯 碳材料的复合体功能化，扩展了烯碳复合材料的应用领域。

3、作为高分子薄膜材料，纯杂环芳纶相对于聚酰亚胺薄膜而言性能比较接 近，然而聚酰亚胺聚合工艺可控性差，反应条件敏感，在引入烯碳材料时难 以将烯碳材料较均匀的分散。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种包含烯碳材料的芳纶薄膜及其制备 方法。

2、本发明一方面提供一种含烯碳材料的杂环芳纶薄膜的制备方法，包括： 将烯碳材料和杂环芳纶溶液均匀混合，经过脱泡过滤后形成烯碳杂环芳纶混 合液；将所述烯碳杂环芳纶混合液均匀的形成一层湿膜；将所述湿膜进行凝 固处理形成烯碳杂环芳纶凝胶膜；及将所述烯碳杂环芳纶凝胶膜进行水洗除 去溶剂以及杂质后再干燥固化成型，获得含烯碳材料的杂环芳纶薄膜。 根据本发明的一实施方式，所述杂环芳纶粘度为3～7万厘泊。

3、根据本发明的另一实施方式，所述烯碳材料与所述杂环芳纶的质量比为 0.1～1.25。

4、根据本发明的另一实施方式，所述烯碳材料包括石墨烯、氧化石墨烯、 单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或多种；或，所述烯碳材料经过物理 或者化学改性处理。

5、根据本发明的另一实施方式，所述烯碳材料以分散液的状态加入；优选， 所述分散液所用的溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮、二 甲基甲酰胺中的一种或多种。

6、根据本发明的另一实施方式，所述烯碳材料分散液在杂环芳纶聚合阶段 加入或者聚合完成后加入。

7、根据本发明的另一实施方式，所述湿膜凝固处理形成烯碳杂环芳纶凝胶 膜需将所述湿膜在凝固浴中放置一段时间；其中，所述凝固浴为有机溶剂和 水的混合溶液，所述凝固浴中有机溶剂在混合溶液中的质量比例为大于 0～0.6，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮、二甲 基甲酰胺中的一种或多种。

8、根据本发明的另一实施方式，所述湿膜凝固处理形成烯碳杂环芳纶凝胶 膜为多级凝固浴处理，每一级凝固浴中所述有机溶剂的比例逐渐下降；优选， 所述多级凝固浴处理为两级或者三级，当凝固浴为两级时，第一级凝固浴中 有机溶剂的质量比例为0.3～0.6，第二级凝固浴中有机溶剂的质量比为0.1～ 0.3；当凝固浴为三级时，第一级凝固浴中有机溶剂的质量比例为0.3～0.6， 第二级凝固浴中有机溶剂的质量比为0.1～0.3，第三级凝固浴中有机溶剂的 质量比为大于0～0.1。优选，所述湿膜在每一级凝固浴中放置时间为5～ 120min。

9、根据本发明的另一实施方式，所述水洗去除溶剂和杂质为使用去离子水 多次浸泡或者使用去离子水喷淋水洗；优选，水洗时间为30～120min；

10、根据本发明的另一实施方式，所述干燥固化成型为高温限域成型；优选， 所述高温限域成型的温度为150～500摄氏度；优选，所述高温限域成型过程 中加入氮气、氩气保护气氛；优选，所述高温限域成型为热压或热拉伸成型； 优选，所述热压或者热拉伸所需压力/拉力为0.1～100mpa。

11、本发明另一方面还提供一种由上述方法制备的含烯碳材料的杂环芳纶薄 膜。

12、与现有技术相比，本发明提供的含烯碳材料的杂环芳纶薄膜的制备方法 简单，条件易控，克服了现有技术中芳纶薄膜制作工序复杂、成本高昂和无 法实现功能化的特点，同时实现了烯碳材料在杂环芳纶中的均匀分散问题。 能够大幅度提升杂环芳纶薄膜的力学性能、电性能和热学性能。

技术特征：

1.一种含烯碳材料的杂环芳纶薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述杂环芳纶粘度为3～7万厘泊。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烯碳材料与所述杂环芳纶的质量比为0.1～1.25。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烯碳材料包括石墨烯、氧化石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烯碳材料以分散液的状态加入；优选，所述分散液所用的溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烯碳材料分散液在杂环芳纶聚合阶段加入或者聚合完成后加入。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述湿膜凝固处理形成烯碳杂环芳纶凝胶膜需将所述湿膜在凝固浴中放置一段时间；

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述湿膜凝固处理形成烯碳杂环芳纶凝胶膜为多级凝固浴处理，每一级凝固浴中所述有机溶剂的比例逐渐下降；

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水洗去除溶剂和杂质为使用去离子水多次浸泡或者使用去离子水喷淋水洗；

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥固化成型为高温限域成型；

11.一种含烯碳材料的杂环芳纶薄膜，其特征在于，由权利要求1-10任一所述方法制备。

技术总结
本发明公开一种含烯碳材料的杂环芳纶薄膜的制备方法，包括：将烯碳材料和杂环芳纶溶液均匀混合，经过脱泡过滤后形成烯碳杂环芳纶混合液；将所述烯碳杂环芳纶混合液均匀的形成一层湿膜；将所述湿膜进行凝固处理形成烯碳杂环芳纶凝胶膜；及将所述烯碳杂环芳纶凝胶膜进行水洗除去溶剂以及杂质后再干燥固化成型，获得含烯碳材料的杂环芳纶薄膜。与现有技术相比，本发明提供的含烯碳材料的杂环芳纶薄膜的制备方法简单，条件易控，克服了现有技术中芳纶薄膜制作工序复杂、成本高昂和无法实现功能化的特点，同时实现了烯碳材料在杂环芳纶中的均匀分散问题。能够大幅度提升杂环芳纶薄膜的力学性能、电性能和热学性能。

技术研发人员：高振飞,焦琨,周朝开,杨欣玥,张锦,李兰英,彭涛,何鑫业
受保护的技术使用者：北京石墨烯研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16