聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.007

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (6): 39-45.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.06.007

聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究

王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇()

辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2022-01-25 出版日期:2022-06-26 发布日期:2022-06-27
通讯作者: 徐新宇（1979-），女，副教授，主要研究复合材料的制备及其性能，xuxinyu_2012@163.com
E-mail:xuxinyu_2012@163.com
基金资助:
辽宁省教育厅项目(L2019001)

Preparation and properties of polyimide/multi⁃walled carbon nanotubes composite foams

WANG Shuai, ZHANG Yudi, YANG Fukai, XU Xinyu()

School of Petrochemical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun 113001，China

Received:2022-01-25 Online:2022-06-26 Published:2022-06-27
Contact: XU Xinyu E-mail:xuxinyu_2012@163.com

摘要/Abstract

摘要：

将不同质量分数的多壁碳纳米管（MWCNT）与PI通过原位聚合制备了聚酰亚胺（PI）/MWCNT泡沫复合材料，并利用扫描电子显微镜、热失重等仪器对材料性能进行了测试。结果表明，随着MWCNT质量分数的增加，泡孔直径增大，泡沫密度降低，当MWCNT含量超过0.4 %（质量分数，下同）易发生团聚作用，限制了泡沫结构的形成，导致泡沫的形状不规则；在添加0.2 %的MWCNT时，压缩强度、压缩模量、硬度获得了最好的增强效果，并发现增强效果随MWCNT质量分数的增加增强效果呈现先增大后降低的趋势；样品的热稳定性在添加0.05 %质量分数的MWCNT时达到最佳水平。

关键词: 聚酰亚胺, 多壁碳纳米管, 泡沫材料, 力学性能

Abstract:

Polyimide/multi?walled carbon nanotubes （MWCNT） composite foams were prepared through in?situ polymerization of polyimide with different mass fractions of MWCNT， and their morphology and properties were investigated using scanning electron microscopy and thermogravimetry. The results indicated that the cell diameter of the composite foams increased with an increase in the mass fraction of MWCNT， but their foam density decreased. There was an agglomeration occurring when the MWCNT content exceeded 0.4 wt%. This limited the formation of the foam structure and led to foaming an irregular shape. The composite foams obtained an optimal enhancement effect on compressive strength， compressive modulus， and hardness when 0.2 wt% MWCNT was incorporated. The enhancement effect was found to increase at first and then tended to decrease with an increase in the mass fraction of MWCNT. The composite foams achieved a maximum thermal stability when 0.05 wt% MWCNT was added.

Key words: polyimide, multi?walled carbon nanotube, foam material, mechanical property

中图分类号:

TQ323.6

王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇. 聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 39-45.

WANG Shuai, ZHANG Yudi, YANG Fukai, XU Xinyu. Preparation and properties of polyimide/multi⁃walled carbon nanotubes composite foams[J]. China Plastics, 2022, 36(6): 39-45.

图/表 8

样品	用量/g
PMDA	20.0
PAPI	20.0
TEA	0.6
T9	0.4
CH₃OH	2.4
H₂O	2.8
PEG⁃600	15.0
AK8805	5.0
DMF	20.0
MWCNT	0.05 %~0.6 %

表1 实验配方

Tab.1 Experimental formula

图1 PI中间体、PI以及PI/MWCNT复合泡沫的红外光谱

Fig.1 Infrared spectra of PI intermediate， PI and PI/MWCNT foam

图2 PI/MWCNT复合材料密度曲线

Fig.2 Density of PI/MWCNT composites

图3 PI泡沫塑料的SEM照片

Fig.3 SEM of PI foams

图4 PI/MWCNT复合材料的力学性能曲线

Fig.4 Mechanical properties of PI/MWCNT composites

样品	压缩模量/MPa	发生15 %应变时压缩强度/MPa	质量保留率/ %	5 %失重温度（T_{5 %}）/℃
纯PI	2.52	0.032	33.65	302.0
PI/MWCNT⁃1	4.63	0.071	45.24	321.5
PI/MWCNT⁃2	5.10	0.080	42.44	318.0
PI/MWCNT⁃3	5.39	0.107	41.67	315.6
PI/MWCNT⁃4	4.92	0.068	40.86	312.9
PI/MWCNT⁃5	4.86	0.058	38.80	308.2

表2 PI及PI/MWCNT复合材料的力学性能与TG性能

Tab.2 Mechanical properties and thermogravimetric data of PI and PI/MWCNT composites

图5 PI及PI/MWCNT复合材料的硬度曲线

Fig.5 Hardness of PI and PI/MWCNT composites

图6 PI及PI/MWCNT复合材料的TG曲线

Fig.6 Thermogravimetric curves of PI and PI/MWCNT composites

参考文献 21

1	MarsavinaLiviu， LinulEmanoil. Fracture toughness of rigid polymeric foams： A review［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 2020， 43（11）.
2	JacobsLeon J M， KemmereMaartje F， KeurentjesJos T F. Sustainable polymer foaming using high pressure carbon dioxide： a review on fundamentals， processes and applications［J］. Green chemistry， 2008， 10（7）： 731⁃738.
3	蔡兴贤，江璐霞，谢美丽，等. PI的结构与性能［J］. 成都工学院学报， 1978（Z1）： 31⁃49.
	CAI X X， JIANG L X， XIE M L， et al.Structure and performance of PI［J］.Journal of Chengdu Institute of Technology， 1978（Z1）： 31⁃49.
4	徐世玉，邰菊香，刘学宁，等. 隔热用PI气凝胶研究进展［J］. 现代化工， 2022， 42（01）：71⁃75. DOI：10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2022.01.015 .
	XU S Y， TAI J X， LIU X N， et al. Research progress in polyimide aerogel for thermal insulation［J］. Modern Chemical Industry， 2022， 42（01）： 71⁃75. DOI：10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2022.01.015 .
5	刘俊，张浩，王丹，等. 3D石墨烯海绵对PI泡沫使用安全性的影响［J/OL］. 高分子材料科学与工程： 1⁃11.［2022⁃01⁃24］. DOI：10.16865/j.cnki.1000-7555.2021.0265 .
	LIU J， ZHANG H， WANG D， et al. Effect of 3D graphene sponge on the safety of polyimide foam ［J/OL］. Polymer Materials Science & Engineering： 1⁃11.［2022⁃01⁃24］. DOI： 10.16865/j.cnki.1000-7555.2021.0265 .
6	马晶晶，赵一搏，酒永斌，等. 硬质芳香族PI泡沫的研究进展［J］. 宇航材料工艺， 2019， 49（02）： 1⁃6.
	MA J J， ZHAO Y B， JIU Y B， et al. Research progress of rigid romatic polyimide foam［J］. Aerospace Materials & Technology， 2019， 49（02）： 1⁃6.
7	李建伟. 共聚型PI泡沫材料的制备及其结构与性能研究［D］. 西安：西北工业大学， 2018. DOI：10.27406/d.cnki.gxbgu.2018.000211 .
8	许云汉，王磊磊，胡爱军，等. 耐高温PI泡沫材料［J］. 化学进展， 2018， 30（05）： 684⁃691.
	XU Y H， WANG L L， HU A J， et al. Polymide foams for high temperture application［J］. Progress in Chemistry， 2018， 30（05）： 684⁃691.
9	郑逸良，黄志成，阎敬灵. PI泡沫材料研究进展［J］.塑料科技， 2018， 46（08）： 122⁃127. DOI：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2018.08.022 .
	ZHENG Y L， HUANG Z C， YAN J L. Research progress on polyimide foam materials［J］. Plastic Science and Technology， 2018， 46（08）： 122⁃127. DOI：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2018.08.022 .
10	邱银，汪树军. 聚酰亚胺泡沫材料［J］. 化工新型材料， 2003（08）： 15⁃17.
	QIU Y， WANG S J. Polyimide Foam［J］. New Chemical Materials， 2003（08）： 15⁃17.
11	李超，程杰，黄勇，等. PI泡沫材料结构与性能研究［J］. 化工管理， 2019（14）： 188⁃189.
	LI C， CHENG J， HUANG Y， et al. Research on the structure and properties of polyimide foam［J］. Chemical Management， 2019（14）： 188⁃189.
12	Çakir M， Kılıç V， Boztoprak Y， et al. Graphene oxide⁃containing isocyanate⁃based polyimide foams： Enhanced thermal stability and flame retardancy［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2021， 138（39）.
13	刘心颖，林欢，董华.碳纳米管海绵导热性能的实验研究［J］. 中国材料进展， 2021， 40（09）： 722⁃728.
	LIU X Y， LIN H， DONG H.Experimental study on thermal conductivity of carbon nanotube sponge［J］. Materials China， 2021， 40（09）： 722⁃728.
14	张臣. 碳纳米管及其制备技术［J］. 微纳电子技术， 2002（04）： 25⁃29.
	ZHANG C. Carbon nanotube and its fabrication technology［J］. Micronanoelectronic Technology， 2002（04）： 25⁃29.
15	汲广云，郭明，杨兴，等. 巯基硅烷改性MWCNT的合成及其对Cd~（2+）的吸附性能研究［J］. 环境科学学报， 2017， 37（06）： 2171⁃2180. DOI：10.13671/j.hjkxxb.2016.0443 .
	JI G Y， GUO M， YANG X， et al. Synthesisof sulphydryl silane⁃modified multiwall carbon nanotubes and its cadmium adsorption capacity［J］. Acta Scientiae Circumstantiae， 2017， 37（06）： 2171⁃2180. DOI： 10.13671/j.hjkxxb.2016.0443 .
16	周庆祥，肖军平，汪卫东，等. 碳纳米管应用研究进展［J］. 化工进展， 2006（07）： 750⁃754.
	ZHOU Q X， XIAO J P， WANG W D， et al. Progress of the application of carbon nanotubes［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2006（07）： 750⁃754.
17	Long Wang， Loh Kenneth J. Wearable carbon nanotube⁃based fabric sensors for monitoring human physiological performance［J］. Smart Materials and Structures， 2017， 26（5）.
18	李亚森，尚玉栋，贺江平，等. MWCNT在聚氨酯基涂覆材料中分散性能的研究［J］.中国塑料， 2021， 35（07）： 18⁃24. DOI：10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.003 .
	LI Y S， SHANG Y D， HE J P， et al. Study on dispersion properties of multi⁃walled carbon nanotubes in polyurethane⁃based coating materials ［J］. China Plastics， 2021， 35（07）： 18⁃24. DOI：10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.003
19	苏丹娜，孙洪硕，朱永超. 碳纳米管对聚酰胺12性能的影响研究［J］. 塑料科技， 2021， 49（04）： 35⁃38. DOI：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.009 .
	SU D N， SUN H S， ZHU Y C. Study on the effect of carbon nanotubes on the properties of polyamide 12 ［J］. Plastics Science and Technology， 2021， 49（04）： 35⁃38. DOI：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.009 .
20	Rui Ya Rong， Zhen Hua Li， Yun Xuan Li， et al. Mechanical and tribological properties of polyimide composite reinforced with carbon fibers and carbon nanotube［J］. Advanced Materials Research， 2011， 1378：311⁃313.
21	Dong Zhi⁃xin， Tao Feng， Chao Zheng， et al. Mechanical properties of polyimide/multi⁃walled carbon nanotube composite fibers［J］. Chinese Journal of Polymer Science， 2016， 34（11）： 1 386⁃1 395.

[1]	于昌永, 辛忠. 基于六氢邻苯二甲酸盐的α/β复合成核剂对聚丙烯性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 121-128.
[2]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[3]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[4]	李凯泽, 辛勇. 改性碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 1-5.
[5]	王金业, 唐博虎, 杨立宁, 谢猛, 郭泽朝, 杨光. PA12试件多射流熔融成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 81-86.
[6]	孙文博, 信春玲, 何亚东, 翟玉娇, 闫宝瑞. 玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 1-7.
[7]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[8]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[9]	何和智, 徐力, 杨以科. 预应力对PC/CF层合板力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 1-5.
[10]	李素圆, 刘会鹏, 龚舜, 黄国桃, 李玉才, 吴鑫, 邓建平, 潘凯. 热塑性聚酰胺弹性体改性EVA复合发泡材料的制备及性能表征[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 6-14.
[11]	张九夫, 罗开强, 徐军, 郭宝华. 长玻璃纤维增强PA66复合材料的综合性能及其影响因素研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 1-8.
[12]	王富玉, 郭金强, 张玉霞. 聚合物原位成纤方法及其在PP共混体系中的应用[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 146-156.
[13]	李泽洋, 岑兰, 陈胜, 陈伟杰, 杜兵华, 张二帅. 羧基丁腈橡胶/PA12热塑性弹性体的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 15-20.
[14]	刘浪, 栾道成, 胡志华, 文科林, 周新宇, 米书恒, 王正云. 玄武岩纤维和钢纤维含量对树脂基摩擦材料性能的影响研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 33-39.
[15]	卢春燕, 王刚, 刘帅, 朱天容, 刘芸, 汪海平, 胡思前. 高温缩聚法制备高透明性聚酰亚胺薄膜[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 48-52.

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Preparation and properties of polyimide/multi⁃walled carbon nanotubes composite foams

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