一种氮化硼-羧基化聚芳醚-聚酰亚胺复合材料及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010697133.4
文献号 : CN111732835B
文献日 : 2021-05-11
发明人 : 王大明 , 丛冰 , 赵君禹 , 王春博 , 周宏伟 , 赵晓刚 , 陈春海
申请人 : 吉林大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种氮化硼‑羧基化聚芳醚‑聚酰亚胺复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将酚酞啉类单体、二卤单体、二酚单体、催化剂、带水剂和第一溶剂混合,依次进行带水和聚合反应,得到羧基化聚芳醚;
将所述羧基化聚芳醚、氮化硼和第二溶剂混合,得到分散液;
将所述分散液涂覆于聚酰亚胺织物表面后,在水中进行相转变,得到复合物;
将所述复合物进行热压,得到氮化硼‑羧基化聚芳醚‑聚酰亚胺复合材料;
所述酚酞啉类单体具有式I所示结构:其中,R1、R2和R3独立为‑H,‑CH3,‑CH2CH3,‑CH2CH2CH3或‑CH(CH3)2;
所述二卤单体为4,4'‑二氟二苯甲酮、4,4'‑二氯二苯砜、4,4'‑二氟二苯砜、1,3‑二(4‑氟苯甲酰基)苯、1,4‑二(4‑氟苯甲酰基)苯、4,4'‑二(4‑氟苯甲酰基)联苯、二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基亚苯基)醚、1,4‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯或1,3‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯;
所述二酚单体为2,2‑双(4‑羟苯基)丙烷、3,3‑二(4‑羟苯基)‑3H‑异苯并呋喃酮、酚红、
2,2‑双(4‑羟苯基)六氟丙烷、对苯二酚、间苯二酚、4,4'‑联苯二酚、4,4'‑二羟基二苯酮、4,
4'‑二羟基二苯砜、4,4'‑二羟基二苯亚砜、4,4'‑二羟基二苯硫醚或4,4'‑二羟基二苯醚。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述酚酞啉类单体与二酚单体的摩尔比为1:(0.05~0.5),所述二酚单体和酚酞啉类单体中羟基摩尔数之和与二卤单体中卤原子的摩尔比为1:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述催化剂包括氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、碳酸钾或氟化铯;所述催化剂与二卤单体的摩尔比为(2~2.2):1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一溶剂为N‑甲基吡咯烷酮、N,N‑二甲基乙酰胺、N,N‑二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二苯砜或环丁砜;
所述酚酞啉类单体、二酚单体和二卤单体的总质量与第一溶剂的质量比为(15~20):(80~85)。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述聚合反应的温度为160~220℃,时间为4~7h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述氮化硼为六方氮化硼或立方氮化硼;
所述氮化硼与羧基化聚芳醚的质量比为(40~60):(40~60);
所述氮化硼和羧基化聚芳醚的质量之和与第二溶剂的质量比为(15~20):(80~85)。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述分散液与聚酰亚胺织物的质量比2
为(9~11):0.85;所述聚酰亚胺织物的密度为200g/m。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热压的压力为1.5~2.0MPa,温度为250~450℃。
9.权利要求1~8任一项所述制备方法制备得到的氮化硼‑羧基化聚芳醚‑聚酰亚胺复合材料,包括聚酰亚胺织物基体和填充于所述聚酰亚胺织物基体中的导热聚合物,所述导热聚合物为氮化硼‑羧基化聚芳醚。
说明书 :
一种氮化硼‑羧基化聚芳醚‑聚酰亚胺复合材料及其制备方法
技术领域
背景技术
性的关键问题。因此对高导热材料的需求越来越迫切。导热聚合物具有质量较轻、易加工成
型和耐化学腐蚀等优点,正在向传统导热材料所应用的领域逐渐发展。尤其是填充型导热
聚合物,其制备方法简单、易于批量生产且成本不高,是极具应用前景的导热材料。因此,为
了满足日益扩大的市场需求,提高填充型导热聚合物复合材料的热导率是十分必要的。
料被树脂基体包裹,形成“海岛结构”,此时填料间彼此是孤立的,不利于导热系数的提高。
当填料添加量较多时,填料在聚合物基体内部易发生团聚,影响复合材料的机械性能,同时
又会提高复合材料的制备成本。中国专利(CN110804268A)公开了一种六方氮化硼(h‑BN)/
聚乙烯醇(PVA)/木质素纳米颗粒(LNP)/纳米纤维素(CNF)导热复合膜材料及其制备方法,
通过真空抽滤h‑BN悬浮液得到h‑BN薄片,再将PVA/LNP/CNF混合悬浮液浇铸于h‑BN薄片上,
干燥成型后得到h‑BN/PVA/LNP/CNF导热复合膜材料。但是填料种类增加的同时也使界面增
加,界面热阻变大,使复合材料的导热系数的提升受到限制。
络,保证材料的力学性能是十分必要的。
发明内容
性能优异。
2‑邻苯二甲酰亚胺基亚苯基)醚、1,4‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯或1,3‑二(4‑氯‑2‑
邻苯二甲酰亚胺基)苯;
酮、4,4'‑二羟基二苯砜、4,4'‑二羟基二苯亚砜、4,4'‑二羟基二苯硫醚或4,4'‑二羟基二苯
醚。
物的密度为200g/m。
物,所述导热聚合物为氮化硼‑羧基化聚芳醚。
带水和聚合反应,得到羧基化聚芳醚;将所述羧基化聚芳醚、氮化硼和第二溶剂混合,得到
分散液;将所述分散液涂覆于聚酰亚胺织物表面后,在水中进行相转变,得到复合物;将所
述复合物进行热压,得到氮化硼‑羧基化聚芳醚‑聚酰亚胺复合材料。本发明先制备羧基化
的聚芳醚,由于氮化硼表面存在有羟基,可以与羧基化聚芳醚上的羧基产生氢键的相互作
用力,本发明将氮化硼分散在羧基化聚芳醚中富集形成导热相,为声子导热过程传输提供
通道,降低声子在界面处的散射,有效提高复合材料的导热系数。其次,由于羧基化聚芳醚
与聚酰亚胺属于不相容的两相,具有典型的相分离的微观结构,本发明将氮化硼‑羧基化聚
芳醚构成的导热相与聚酰亚胺织物混合后,二者发生相分离,导热的氮化硼富集在羧基化
聚芳醚相中,而聚酰亚胺织物有大量孔隙,氮化硼‑羧基化聚芳醚相分布在聚酰亚胺织物的
孔隙中,形成导热网络,可以实现导热相在复合材料中以连续相形式存在,客观上提高了氮
化硼导热通路的密度,进而有效提高复合材料的导热性能。
能。
效的导热通路,克服了现有导热聚合物存在的填料彼此孤立或填料团聚的问题。
具体实施方式
所示结构:
基)联苯、二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基亚苯基)醚、1,4‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯
或1,3‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯;所述二酚单体优选为2,2‑双(4‑羟苯基)丙烷、3,
3‑二(4‑羟苯基)‑3H‑异苯并呋喃酮、酚红、2,2‑双(4‑羟苯基)六氟丙烷、对苯二酚、间苯二
酚、4,4'‑联苯二酚、4,4'‑二羟基二苯酮、4,4'‑二羟基二苯砜、4,4'‑二羟基二苯亚砜、4,
4'‑二羟基二苯硫醚或4,4'‑二羟基二苯醚。
尔数之和与二卤单体中卤原子的摩尔比优选为1:1。
单体和二卤单体的总质量与第一溶剂的质量比优选为(15~20):(80~85),更优选为(16~
18):(82~84)。
反应发生);然后升温至120~150℃并维持3~6h,带水回流(蒸出体系中带水剂);再升温至
160~220℃进行聚合反应。本发明对所述升温的升温速率没有特殊的限定,按照本领域熟
知的过程进行升温即可。在本发明中,所述聚合反应的温度优选为160~220℃,更优选为
170~210℃,进一步优选为180~200℃,时间优选为4~7h,更优选为5~6h。
本发明所制备的羧基化聚芳醚类聚合物具有优异的溶解性,能溶于多种有机溶剂,扩大其
应用范围。
沉淀剂)和催化剂;最后在烘箱中干燥,得到羧基化聚芳醚,即含羧基侧基的聚芳醚类聚合
物。在本发明中,所述沉淀剂优选为甲醇、乙醇或水;本发明对所述沉淀剂的用量没有特殊
的限定,保证足量即可。本发明对所述粉碎机以及粉碎和洗涤的过程没有特殊的限定,按照
本领域熟知的过程进行即可。在本发明中,所述干燥的温度优选为130~150℃,更优选为
135~145℃,时间优选为8~12h,更优选为9~10h;本发明对所述烘箱没有特殊的限定,本
领域熟知的普通烘箱即可。本发明对所述含羧基侧基的聚芳醚类聚合物的粒径没有特殊的
限定,按照上述过程粉碎为较小粒径利于后续溶解即可。
化硼(WBN);所述氮化硼与羧基化聚芳醚的质量比优选为(40~60):(40~60),更优选为(45
~55):(45~55),进一步优选为(48~52):(48~52)。
化硼和羧基化聚芳醚的质量之和与第二溶剂的质量比优选为(15~20):(80~85),更优选
为(16~18):(82~84)。
醚,在室温下磁力搅拌6~8h,得到分散液;所述超声分散混合的功率优选为250~400W,更
优选为300~350W,时间优选为0.5~2h,更优选为1.0~1.5h。本发明对所述磁力搅拌的过
程没有特殊的限定,能够得到分散均匀的分散液即可。
本发明将氮化硼分散在羧基化聚芳醚中富集形成导热相,能够为声子导热过程传输提供通
道,进而提高材料的导热性能。
2
0.85,更优选为(9.5~10.5):0.85;所述聚酰亚胺织物的密度优选为200g/m ;所述聚酰亚
胺织物优选购于山东奥绒服装有限公司。
覆将分散液均匀填充在聚酰亚胺织物的结构中。完成所述涂覆后,本发明优选将所得聚酰
亚胺织物浸入去离子水中24~48h,进行相转变,然后将所得织物在普通烘箱中130℃干燥8
~12h,再在真空烘箱中180~220℃条件下干燥3~5h,得到复合物。本发明对所述普通烘箱
和真空烘箱没有特殊的限定,选用本领域熟知的设备即可。在所述相转变过程中,液态形式
的羧基化聚芳醚和氮化硼转变为固相,与聚酰亚胺织物形成固态复合物。本发明利用聚酰
亚胺织物作为力学支撑网络,有效提升复合材料的力学性能,克服复合材料在填料添加量
较大时力学性能遭到破坏的问题,赋予复合材料良好的力学性能。
醚导热相与聚酰亚胺织物相发生相分离,导热的氮化硼富集在羧基化聚芳醚相中,而聚酰
亚胺织物有大量孔隙,氮化硼‑羧基化聚芳醚相分布在聚酰亚胺织物的孔隙中,形成导热网
络。
进而能够有效提高复合材料的导热性能。
进一步优选为1.7~1.8MPa,温度优选为250~450℃,更优选为300~400℃。本发明对所述
热压所用设备没有特殊的限定,选用本领域熟知的设备进行热压即可。在热压过程中,浸入
聚酰亚胺织物中的氮化硼‑羧基化聚芳醚在压力作用下与聚酰亚胺织物充分复合,形成复
合材料。
物,所述导热聚合物为氮化硼‑羧基化聚芳醚。
相,为声子导热过程传输提供通道,降低声子在界面处的散射,有效提高复合材料的导热系
数。其次,由于羧基化聚芳醚与聚酰亚胺属于不相容的两相,具有典型的相分离的微观结
构,本发明将氮化硼‑羧基化聚芳醚构成的导热相与聚酰亚胺织物混合后,二者发生相分
离,导热的氮化硼富集在羧基化聚芳醚相中,而聚酰亚胺织物有大量孔隙,氮化硼‑羧基化
聚芳醚相分布在聚酰亚胺织物的孔隙中,形成导热网络,提高复合材料的导热性能。
能。
施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属
于本发明保护的范围。
11.445g(0.0525mol)4,4'‑二氟二苯甲酮,然后加入112.06g二甲基亚砜(DMSO),最后加入
催化剂无水碳酸钾14.49g(0.105mol)和带水剂甲苯50mL;将所得混合物自室温升温至带水
剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至150℃,维持3h,蒸出带水剂,随后升
温至220℃并维持4h,进行聚合反应;反应结束后将所得产物倒入沉淀剂(水)中,得到丝条
状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(二甲
基亚砜)和催化剂(碳酸钾),最后在普通烘箱中150℃干燥8h,得到羧基化聚芳醚酮;
分散液;
m)上,浸渍均匀后,浸入去离子水中48h,进行相转变,然后放入普通烘箱中在130℃干燥
12h,然后置于真空烘箱中在220℃干燥5h,得到复合物;
3‑二(4‑羟苯基)‑3H‑异苯并呋喃酮和21.525g(0.075mol)4,4'‑二氯二苯砜,然后加入
275.825g N‑甲基吡咯烷酮(NMP),最后加入催化剂氢氧化钾9.24g(0.165mol)和带水剂甲
苯50mL,将所得混合物自室温升温至带水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续
升温至120℃,维持6h,蒸出带水剂;随后升温至160℃并维持7h,进行聚合反应;反应结束后
将所得产物倒入沉淀剂(甲醇)中,得到丝条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎
成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(甲醇和N‑甲基吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钾),最
后在普通烘箱中130℃干燥12h,得到羧基化聚芳醚砜;
分散液;
后置于真空烘箱中在180℃干燥3h,得到复合物;
13.97g(0.055mol)4,4'‑二氟二苯砜,然后加入143.76gN,N‑二甲基乙酰胺(DMAc),最后加
入催化剂无水碳酸钠11.66g(0.11mol)和带水剂甲苯50mL;将所得混合物自室温升温至带
水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,维持5h,蒸出带水剂;随后
升温至200℃并维持6h,进行聚合反应;反应结束后将所得产倒入沉淀剂(乙醇)中,得到丝
条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(乙
醇和N,N‑二甲基乙酰胺)和催化剂(碳酸钠),最后在普通烘箱中140℃干燥9h,得到羧基化
聚芳醚砜;
拌7h,得到分散液;
置于真空烘箱200℃干燥4h,得到复合物;
苯基)六氟丙烷和19.32g(0.06mol)1,3‑二(4‑氟苯甲酰基)苯,然后加入165.92g N,N‑二甲
基甲酰胺(DMF),最后加入催化剂氢氧化钠5.28g(0.132mol)和带水剂二甲苯50mL,将所得
混合物自室温升温至带水剂的回流温度(140℃),持续直到无水带出,继续升温至150℃,维
持4h,蒸出带水剂;随后升温至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入
沉淀剂(水)中,得到丝条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复
洗涤除去多余溶剂(N,N‑二甲基甲酰胺)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干
燥12h,得到羧基化聚芳醚酮;
拌6h,得到分散液;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
20.93g(0.065mol)1,4‑二(4‑氟苯甲酰基)苯,然后加入171.12g二苯砜,最后加入催化剂氟
化铯19.76g(0.13mol)和带水剂氯苯50mL,将所得混合物自室温升温至带水剂的回流温度
(135℃),持续直到无水带出,继续升温至150℃,维持4h,蒸出带水剂;随后升温至200℃并
维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入沉淀剂(水)中,得到丝条状产物,然后
将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(二苯砜)和催化剂
(氟化铯),最后在普通烘箱中130℃干燥12h,得到羧基化聚芳醚酮;
液;
于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
27.86g(0.07mol)4,4'‑二(4‑氟苯甲酰基)联苯,然后加入201.04g环丁砜,最后加入催化剂
氢氧化钠5.6g(0.14mol)和带水剂甲苯50mL,将所得混合物自室温升温至带水剂的回流温
度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,维持4h,蒸出带水剂;随后升温至200℃
并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入沉淀剂(水)中,得到丝条状产物,然
后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(环丁砜)和催化
剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干燥12h,得到羧基化聚芳醚酮;
分散液;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
和28.566g(0.054mol)二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基亚苯基)醚,然后加入189.64g N‑甲基
吡咯烷酮(NMP),最后加入催化剂氢氧化钠4.32g(0.108mol)和带水剂甲苯50mL,将所得混
合物自室温升温至带水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,维持
4h,蒸出带水剂;随后升温至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入沉
淀剂(水)中,得到丝条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗
涤除去多余溶剂(N‑甲基吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干燥
12h,得到羧基化聚芳醚酰亚胺;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
二苯酮和25.1275g(0.0575mol)1,4‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯,然后加入179.33g
N‑甲基吡咯烷酮(NMP),最后加入催化剂氢氧化钠4.6g(0.115mol)和带水剂甲苯50mL,将所
得混合物自室温升温至带水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,
维持4h,蒸出带水剂;随后升温至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒
入沉淀剂(水)中,得到丝条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反
复洗涤除去多余溶剂(N‑甲基吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干
燥12h,得到羧基化聚芳醚酮;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
基二苯砜和27.3125g(0.0625mol)1,3‑二(4‑氯‑2‑邻苯二甲酰亚胺基)苯,然后加入
202.55g N‑甲基吡咯烷酮(NMP),最后加入催化剂氢氧化钠5g(0.125mol)和带水剂甲苯
50mL,将所得混合物自室温升温至带水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升
温至130℃,维持4h,蒸出带水剂,随后升温至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将
所得产物倒入到沉淀剂(水)中,得到丝条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成
粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(N‑甲基吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通
烘箱中130℃干燥12h,得到羧基化聚芳醚砜;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
羟基二苯亚砜和14.715g(0.0675mol)4,4'‑二氟二苯甲酮,然后加入156.04g N‑甲基吡咯
烷酮(NMP),最后加入催化剂氢氧化钠5.4g(0.135mol)和带水剂甲苯50mL,将所得混合物自
室温升温至带水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,维持4h,蒸
出带水剂;随后升温至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入到沉淀
剂(水)中,得到丝条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤
除去多余溶剂(N‑甲基吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干燥12h,
得到羧基化聚芳醚酮;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
和15.805g(0.0725mol)4,4'‑二氟二苯甲酮,然后加入146.84g N‑甲基吡咯烷酮(NMP),最
后加入催化剂氢氧化钠5.8g(0.145mol)和带水剂甲苯50mL,将所得混合物自室温升温至带
水剂的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,维持4h,蒸出带水剂;随后
升温至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入沉淀剂(水)中,得到丝
条状产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(N‑
甲基吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干燥12h,得到羧基化聚芳醚
酮;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
15.805g(0.0725mol)4,4'‑二氟二苯甲酮,然后加入145.4gN‑甲基吡咯烷酮(NMP),最后加
入催化剂氢氧化钠5.8g(0.145mol)和带水剂甲苯50mL,将所得混合物自室温升温至带水剂
的回流温度(110℃),持续直到无水带出,继续升温至130℃,维持4h,蒸出带水剂;随后升温
至200℃并维持6h,进行聚合反应,反应结束后将所得产物倒入沉淀剂(水)中,得到丝条状
产物,然后将所述丝条状产物用粉碎机粉碎成粉末,用沸水反复洗涤除去多余溶剂(N‑甲基
吡咯烷酮)和催化剂(氢氧化钠),最后在普通烘箱中130℃干燥12h,得到羧基化聚芳醚酮;
置于真空烘箱中在200℃干燥4h,得到复合物;
测试,结果见表1。
制备的导热性能有了很大的提升,同时力学性能也在可接受的范围内,保证了导热聚合物
的力学性能。
改进和润饰也应视为本发明的保护范围。