交联/复合改性聚酰亚胺薄膜的制备及其性能表征

【摘要】：芳香族聚酰亚胺(PI)是一类耐辐射、耐高温、化学性质稳定和力学性能优异的聚合物材料,已广泛地应用于航空航天、微电子等高新技术领域。随着科学技术的进步和工业的快速发展,对聚酰亚胺材料的热性能和力学性能提出了更高的要求。通过适当的方法对PI进行改性可以改善其在某些方面的性能,如加工性、气体分离性能、热性能和力学性能等。本论文通过化学交联、无机物复合、复合与交联改性等方法制备了一系列改性的PI薄膜,并对其结构和性能进行了研究。具体研究工作如下:1.以BPO为交联剂,通过溶液共混和自由基反应制备了交联聚酰胺酸(PAA-BPO)薄膜,经热处理得到了交联聚酰亚胺(PI-BPO)薄膜。利用FT-IR、TGA、DMA和拉伸测试对PI-BPO交联薄膜的结构、热性能和力学性能进行了表征。考察了亚胺化温度及BPO含量对PI-BPO交联薄膜性能的影响。结果表明,BPO含量为9%时,330?C亚胺化制备的PI-BPO交联薄膜性能较好,玻璃化转变温度(T_g)最高(305?C),比PI提高了24?C;拉伸模量高达2.72±0.10GPa,与PI相比,提高了49%。化学交联可以使聚合物分子链的运动受限,有助于提高PI的耐热性和模量。2.以4,4′-二氨基二苯醚和叠氮化钠等为原料,通过叠氮化反应制备了高纯度4,4′-二叠氮基二苯醚(AD)。利用溶液共混与热处理技术,制备了交联聚酰亚胺(PI-AD)薄膜。利用FT-IR、TGA、DMA和拉伸测试对PI-AD交联薄膜的结构、热性能和力学性能进行了研究。研究结果表明,AD含量为13%时,330?C热亚胺化制备的PI-AD交联薄膜耐热性最佳,T_g为321?C,比PI提高了61?C;AD含量为11%时,PI-AD交联薄膜的力学性能最佳,拉伸强度和模量分别为173.12±16.06 MPa和1.98±0.17 GPa,比PI分别提高了27%和30%;且PI-AD交联薄膜的热稳定性比纯PI的更高。化学交联改性可以提高PI薄膜的热性能和力学性能。3.以磷酸二苯酯(DPh P)和PAA(BPDA/BIA/BPA 10:8:2)为原料,通过流延成膜法和热处理,制备了磷掺杂聚酰亚胺(PI-P)复合薄膜。通过FT-IR、XRD、TGA、DMA、EDS和拉伸测试对PI-P复合薄膜的结构、热性能和力学性能进行了表征。研究结果表明,磷酸二苯酯含量为0.6%时,370°C亚胺化制备的PI-P复合薄膜的热性能和力学性能最佳,在空气和氩气氛中的5%热失重温度和玻璃化转变温度(T_g)分别为577?C、587?C和405?C,分别比PI薄膜提高了50?C、35?C和16?C;复合薄膜的拉伸强度、模量和韧性分别比PI增加了47%、57%和76%。含磷化合物与PI基体有较强的界面作用力,同时在高温下可以在聚合物表面形成保护层。因此,少量磷酸二苯酯的加入可以显著提高PI-P复合薄膜的力学性能和热性能。4.以H_3BO_3和PAA共混物(PAA-I(BPDA/BPA)和PAA-II(BPDA/ODA)的溶液共混)为原料,通过原位热转化制备了PI-B_2O_3(PI-B)复合薄膜。通过FT-IR、XRD、TGA、DMA、EDS和拉伸测试对PI-B复合薄膜结构、热性能和力学性能进行了表征。研究结果表明,H_3BO_3含量为5%时,370?C亚胺化制备的PI-B复合薄膜的热性能和力学性能最佳,在空气和氩气氛中的5%热失重温度及玻璃化转变温度(T_g)分别为583?C、598?C和315?C,比PI分别提高了69?C、74?C和15?C;拉伸强度、模量、断裂伸长率和韧性分别为PI的1.70、1.57、1.31和2.44倍。B_2O_3的加入降低了PI的自由体积,B_2O_3在高温下形成了隔热隔氧玻璃态物质,从而显著提高了PI-B复合材料热性能。另外,B_2O_3与PI的强界面作用力有助于提高PI-B复合薄膜的力学性能。5.以H_3BO_3、三聚氰胺(MA)和PAA共混物(PAA-I(BPDA/BPA)和PAA-II(BPDA/ODA)的溶液共混)为原料,通过原位热转化制备了MA-交联的PI/B_2O_3复合膜(PI-B_2O_3-MA),并对这种PI-B_2O_3-MA复合薄膜的结构、力学性能和热性能进行了表征。结果表明,MA含量为3%时,PI-B_2O_3-MA复合薄膜的力学性能和热稳定性最佳,拉伸强度和模量分别为342.45±5.73 MPa和4.89±0.05GPa,比PI分别提高了71%和124%。在空气和氩气氛中的5%热失重温度分别为591?C和607?C,与PI、PI-MA-3和PI-B_2O_3相比,PI-B_2O_3-MA薄膜的热稳定性更佳。MA含量为4%时,PI-B_2O_3-MA交联复合薄膜的耐热性最佳,T_g高达330?C,比PI、PI-MA-3和PI-B_2O_3分别提高了30?C、11?C和15?C。交联和复合协同作用对薄膜的热性能和模量有明显的提高。6.以磷酸二苯酯(DPhP)、三聚氰胺(MA)和PAA共混物(PAA-I(BPDA/BPA)和PAA-II(BPDA/ODA)的溶液共混)为原料,通过溶液共混和热亚胺化制备MA-交联的磷掺杂聚酰亚胺复合膜(PI-MA-P),并用FT-IR、TGA、DMA、EDS和拉伸测试等手段PI-MA-P复合薄膜的结构、热性能和力学性能进行了表征。结果表明,磷酸二苯酯含量为0.4%时,PI-MA-P复合薄膜的热稳定性和力学性能最佳,在空气和氮气氛中的5%热失重温度分别为585?C和587?C,比PI分别提高了71?C和63?C,比PI-MA-3分别提高了42?C和22?C;拉伸强度、模量分别比PI分别提高了57%和28%,比PI-MA-3分别提高了31%和16%。磷酸二苯酯含量为0.7%时,PI-MA-P复合薄膜的耐热性最佳,T_g高达333?C,比PI和PI-MA-3分别提高了33?C和14?C。MA交联与磷掺杂复合改性可以协同提高PI薄膜的热性能和力学性能。