聚酰亞胺石墨烯復(fù)合薄膜碳化研究.pdf

1、聚酰亞胺(PI)由于其剛性的結(jié)構(gòu)、較高的碳產(chǎn)率和碳化后聚酰亞胺的薄膜形貌可以完好保留，因而被廣泛的用做碳膜的聚合物前驅(qū)體。雖然PI制備的碳膜性能可以通過(guò)控制熱解條件、預(yù)處理前驅(qū)體等來(lái)提升，但純PI基碳膜存在著碳化收縮率大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性低等缺陷，使其應(yīng)用受限。近幾年來(lái)，添加無(wú)機(jī)填料被認(rèn)為是提高PI基碳膜性能和擴(kuò)展其應(yīng)用的一種有效方法。其中，石墨烯(Gr)因其特殊的碳結(jié)構(gòu)和杰出的導(dǎo)電導(dǎo)熱性被認(rèn)為是提高碳膜性能的最佳填充物。然而具有完整結(jié)構(gòu)的石

2、墨烯極易自聚集，因而在PI基體中的分散性差。
　　本文中首先采用超聲分散法制備石墨烯、對(duì)苯二胺(PDA)單體在N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)中混合均勻的懸浮液，用原位聚合法、流延成膜法制備出聚酰胺酸(PAA)/石墨烯薄膜，再經(jīng)過(guò)熱亞胺化制得PI/Gr復(fù)合薄膜。研究表明，在15％Gr含量(PI-15Gr)時(shí)，Gr在PI基體中分散性仍較為均勻，25％Gr含量(PI-25Gr)時(shí)僅有少量聚集。另外，薄膜的熱分解溫度(Td5)、殘余量和

3、導(dǎo)電性均隨Gr量的增加而提高，但薄膜韌性有所降低。
　　其次，對(duì)PI膜和PI-15Gr膜以不同的溫度碳化、不同的速率升溫和在1600℃下保溫不同的時(shí)間，研究碳膜在結(jié)構(gòu)和性能上的變化，從而探討制備這兩種碳膜的最佳碳化過(guò)程。在碳化溫度方面的研究表明，800℃前，PI和PI-15Gr基碳膜因熱解而有序性降低，800℃后，碳膜的有序碳層結(jié)構(gòu)又隨溫度的升高而增多。但碳膜的導(dǎo)電導(dǎo)熱性均隨溫度的升高而增加。在升溫速率方面的研究表明，兩種碳膜結(jié)構(gòu)

4、中的微晶尺寸、有序程度以及性能中的表面電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率均隨升溫速率的降低而增加，尤其是從10℃/min降到8℃/min時(shí)結(jié)構(gòu)與性能變化較為明顯。2℃/min所制的PI碳膜的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性分別可達(dá)2.98×104S/m、10.86W/m.K，PI-15Gr碳膜的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性高達(dá)5.11×104S/m、35.26W/m.K。在保溫時(shí)長(zhǎng)方面的研究表明，對(duì)于PI碳膜，保溫時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)(＜8h)，碳膜的碳化結(jié)構(gòu)和性能越佳，微晶尺寸為2.228nm，R值為

5、1.324。而對(duì)于PI-15Gr碳膜，保溫2h時(shí)達(dá)最佳，微晶尺寸為24.398nm，R值為1.260。這也說(shuō)明了石墨烯可以誘導(dǎo)碳化結(jié)構(gòu)較快的排列有序。
　　最后，采用碳化PI-15Gr膜的最適碳化過(guò)程進(jìn)行碳化，研究了不同牽伸比和Gr含量對(duì)碳膜的結(jié)構(gòu)和性能影響。研究表明，牽伸比的增加可有效地促進(jìn)PI和PI-15Gr碳膜的微晶結(jié)構(gòu)更加完善和有序。牽伸倍數(shù)為1.3時(shí)，PI碳膜微晶尺寸為2.141nm，R值為1.420，PI-15Gr碳膜