一种纤维增强聚酰亚胺基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纤维增强聚酰亚胺基复合材料及制备方法。具体步骤：采用原位聚合法制备了具有一定黏度的聚酰胺酸溶液；然后将碳短切纤维连续搅拌成均相，制得碳短切纤维/PAA复合溶液，复合溶液悬涂于平整载体上，随后置于凝胶混合溶液中进行凝胶化，或碳纤维布有序的悬置于溶液中取出，再将剩余的溶液均匀地喷涂在纤维的两面，双面压实；再将复合件置于烘箱中进行亚胺化处理，得到聚酰亚胺基增强复合材料；最后将制件置于管式炉中进行高温碳化处理，得到N掺杂纤维增强聚酰亚胺基碳化复合材料。该方法过程可控，工艺优良，产品两面的性能基本一致，制备出的复合材料件具有良好的导热性及电化学特征，可应用于超级电容器，柔性电极等储能领域。极等储能领域。极等储能领域。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强聚酰亚胺基复合材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种纤维增强聚酰亚胺基复合材料及制备方法，尤其涉及一种通过高温碳化及纤维增强改性聚酰亚胺基体材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子信息能源的加速发展，该领域的一些基本电子元件的开发也非常快速。顺应新科技的要求，传统电子部件已经无法适应大环境的要求。且受到大经济环境的影响，电容器储能产业已经面临着人力、物资、环境能源等各方面成本的大幅度上扬，但是其产品的价格却呈现一路下滑，在这样双重压力的共同作用下，电子部件亟待全面创新，才能顺应电子工业的发展要求。新型电子元器件层出不穷，新型电子元器件体现了当代和今后电子元器件向高频化、片式化、微型化、薄型化、低功耗、响应速率快、复合化及智能化等的发展趋势。
[0003]超级电容器是一种具有能量密度高、可快速充放电、循环寿命长、可靠性高、环保等优点的新型储能器件，近年来受到研究人员的重视。随着新能源的发展，数字化、信息化环境要求，储能装置不仅需要具有较好的循环寿命，高比能量和高比功率，还需具备质轻便携及环境稳定性，这都是传统电容器面临的新挑战。电极作为储能器件的核心部分，其性能的优劣对整个储能系统起到至关重要的影响。碳纤维凭借优异的结构特性，不仅成为储能设备传统碳基电极的优势材料，也是航空航天及国防领域不可取代的核心材料。而聚酰亚胺作为目前世界上性能最好的工程塑料之一，不论是树脂基体还是复合材料一直处于材料金字塔顶端，成为新兴领域的“宠儿”。因此，贴近应用趋势，研发适用于柔性储能器件的高性能电极，将两种材料的“强
‑
强”链接，降低传统电容器构件质量，改善电极材料的环境稳定性，不仅可以开拓该类复合材料在先进领域储能设备中的广泛应用，同时，也为加速完善储能设备的配套器件，促进新能源新装备的蓬勃发展，提供了更多的技术与材料支撑。
[0004]Yu Sheng Wang等人提供了一种简单，有效和实际的方法制备一种多孔柔性电极。该电极有优异的体积电容和表面电容。其主要在具有高比表面积的尼龙66(PA66)纳米纤维织物中掺入合适尺寸的氧化石墨烯(RGO)，合成的RGO/PA66纳米纤维织物具有满意的电导性，柔性以及RGO和PA66纳米纤维织物之间的粘接性，纳米纤维织物较大的表面积使得RGO在导带之间形成强烈的作用，没有团聚，提高了纳米纤维织物的比质量电容(C
S,M
)，比体积电容(C
S,V
)和比面积电容(C
S,A
)，使其取代超细纤维织物作为基材。结果同样显示，RGO的尺寸是促进纳米纤维织物的关键因素。在三电极系统中，中尺寸还原氧化石墨烯M
‑
RGO/PA66(279.82Fg
‑1)与小尺寸S
‑
RGO/PA66(65.4Fg
‑1)以及大尺寸L
‑
RGO/PA66(95.3Fg
‑1)相比，具有更高的电导性，因为其质量含量是最大的，其导电路径是完整的，基于结合了RGO和纳米纤维织物基材的优点，由M
‑
RGO/PA66组装的超电容具有极高的电池C
S,V
，C
S,A
和基质C
S,M
，分别为38.79Fcm
‑3，0.931Fcm
‑2和71.98Fg
‑1，这些值都超过了相关文献报道的值。因此，通过利用纳米纤维织物和合适尺寸的RGO作为柔性电极材料的方法，提供了一个概念性的方法来增强石墨烯的质量含量和柔性电极的比电容。但是该方法的工艺条件要求较高，对于温度和
压力的指标较高，对制备环境的要求严格。
[0005]Zhang等人通过纤维素衍生的多孔碳基气凝胶框架保证了快速的电子转移，外部的PI层提供了丰富的微孔和活性位点，将其作为电极材料，经过10000次的循环充放电，电容保留率仍达到90％以上。但是，该方法持续的周期较长，对于产业化的开发，有一定的限制性。
[0006]昆明理工大学材料科学与工程学院采用电沉积法制备碳纤维层状复合电极材料。在碳纤维电极表面沉积致密均匀的β
‑
PbO2活性层。改性的复合电极的析氧电位低，电催化活性优异。与传统铅合金电极相比，碳纤维电极质量减轻了69.7％，且碳纤维电极的腐蚀电位更高、腐蚀速率更小，碳纤维电极具有更好的耐腐蚀性能。但是该电极对于电解质的选择比较单一，在一定程度上限制了该材料在储能领域的应用。
[0007]Winthrop等人将碳纤维复合聚酰亚胺材料用于神经工程响应电极材料中。对于神经响应的大小与电极尺寸(特别是横截面积)、电极的相对刚度和材料的组织耐受度有关。柔性碳纤维超微电极具有比传统电极小得多的横截面和较低的组织反应性。研究者通过在柔性聚酰亚胺衬底上组装碳纤维电极，从而促进高密度记录和激励传输阵列的构建。同时，在碳纤维上沉积铟，进行低温微熔，为聚酰亚胺互连提供了一种可靠的电气连接方法。除此，通过电沉积100nm厚的氧化铱薄膜改善了小直径碳纤维通常较差的电荷注入能力，使得碳纤维阵列既可用于电刺激也可用于记录。该方法在制造技术上为碳纤维超微电极阵列的进一步小型化铺平道路。也为碳纤维增强聚酰亚胺树脂基在柔性电极领域的应用奠定基础。但是由于该工作主要探讨的是电极材料与神经响应之间的关系，与充放电过程中电子的传输与转换机理存在一定的区别，对于该体系材料在电化学器械中的应用还有待进一步的研发和突破。
[0008]CN108365229A公开了一种大比表面积N掺杂碳布电极的制备方法。主要通过磁控溅射反溅技术分别利用氩气和氮气对碳布的表面进行多孔化和功能化的处理。该方法对于设备的依附性较大，对于电极载体材料表面结构形貌的参数设置缺乏定量的调控。
[0009]CN110724840A公开了一种聚苯胺/N掺杂石墨化碳复合导电膜电极的制备方法。以经过预处理的废弃生物质甘蔗楂为原料，通过碱活化、N掺杂、预碳化及高温碳化制备N掺杂石墨化碳；再利用N掺杂石墨化碳与导电聚合物(聚苯胺)复合，制备成聚苯胺/N掺杂石墨化碳复合导电膜电极，聚苯胺/N掺杂石墨化碳复合导电膜电极具有高比表面积和良好的导电性及化学稳定性，用于电吸附卤水提铀时，对卤水中铀提取率高、吸附选择性好，能够满足现代工业生产需求。但是该工艺对于预固化材料高温碳化后，碳材料的结构优势没有很好的体现，仅仅从材料的导电性考虑，忽略了高温碳化后结构重组引起的构效关联。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是为了拓展纤维增强聚酰亚胺复合材料的在电化学方面的应用，同时提高传统超级电容器的柔性，及良好的导热性，从而提供一种纤维增强聚酰亚胺基复合材料，本专利技术的另一目的是提供上述材料的制备方法。
[0011]本专利技术的技术方案是，一种制备高电化学性能的纤维(织物)增强聚酰亚胺基复合材料的方法，其实验方法分别包括以下步骤：
[0012]A、碳短切纤维增强聚酰亚胺复合材料的制备
[0013]a1)原料预处理：
[0014]首先本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强聚酰亚胺基复合材料，其特征在于纤维增强聚酰亚胺基复合材料中的各组分及各组分占复合材料总质量的百分含量分别如下：聚酰亚胺：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
22％
‑
95％碳纤维：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5％
‑
75％偶联剂：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ0‑
3％；所述的碳纤维为碳短切纤维或碳纤维布。2.根据权利要求1所述的纤维增强聚酰亚胺基复合材料，其特征在于所述的偶联剂为γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷或γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷或γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或N
‑
(β一氨乙基)
‑
γ
‑
氨丙基三甲(乙)氧基硅烷。3.一种制备如权利要求1所述的纤维增强聚酰亚胺基复合材料的方法，其具体步骤如下：A、碳短切纤维增强聚酰亚胺复合材料的制备a1)原料预处理：首先，将碳短切纤维放入烘箱中保持恒温处理；接着将短切纤维放入装有极性溶剂的反应器中，加入偶联剂，控制温度超声搅拌；b1)聚酰胺酸(PAA)溶液的制备制备质量浓度为10％
‑
40％的PAA溶液；c1)碳短切纤维
‑
PAA复合溶液的制备将a1)中混合溶液与b1)中的PAA溶液混合，连续搅拌成均相，制得碳短切纤维
‑
PAA复合溶液；d1)碳短切纤维增强聚酰亚胺复合材料件的制备将c1)中制得的复合溶液悬涂于平整载体上，随后置于凝胶混合溶液中进行凝胶化，1
‑
12小时后得到具有多孔形貌的复合平板膜材料件；将制件放入高温烘箱中进行干燥处理，先常温鼓风干燥1
‑
2h，再阶梯升温，升温到280℃
‑
320℃恒温50
‑
70min，脱水环化得碳短切纤维增强聚酰亚胺基复合件；e1)高温碳化材料的制备将d1中的复合件置于程序升温的反应炉中，在保护气氛的下，升温至500
‑
900℃进行碳化处理，得到N掺杂碳短切纤维增强聚酰亚胺基复合材料；B、碳纤维布增强聚酰亚胺基复合材料件的制备a2)原料预处理：首先，将碳纤维布放入烘箱中保...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄培，俞娟，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：