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离子交换法制备聚酰亚胺/氧化铝复合薄膜及电晕老化机理

张明玉  
【摘要】:聚酰亚胺是性能优异的高分子材料之一,因其卓越的性能而广泛应用于航空航天、微电子和通讯等高技术领域。但是随着科学发展对材料要求的进一步提高,纯聚酰亚胺已不能满足特殊领域的应用,需要对纯聚酰亚胺进行改性和功能化。利用无机纳米粒子与聚酰亚胺材料进行复合是实现聚酰亚胺材料功能化的一个热点研究方向,在许多领域进一步拓展了聚酰亚胺的潜在应用。近年来,利用表面改性离子交换法制备聚酰亚胺复合材料越来越受到重视,该方法使用碱液对聚酰亚胺表面进行处理,使聚酰亚胺表面发生水解开环形成聚酰胺酸盐,然后通过离子交换引入需要的金属离子,最后重新亚胺化来制备聚酰亚胺复合材料。与传统的制备方法相比,该方法大大简化了复合薄膜的制备工艺;制备的复合材料可以维持基体的优异性能;而且整个制备流程实现了环境友好,没有产生额外的污染物。因此该方法在制备聚酰亚胺复合材料方面有很好的发展前景。以均苯四甲酸二酐/二氨基二苯醚聚酰亚胺薄膜为基体,利用氢氧化钾溶液对薄膜进行不同时间(30 min到150 min)的水解处理,研究了水解时间对聚酰亚胺薄膜结构、表面形貌以及力学性能的影响。实验结果表明,随着水解时间的增加,薄膜的厚度出现了明显增加;X射线衍射图谱分析表明水解降低了薄膜的有序度;红外图谱显示聚酰亚胺分子发生了酰亚胺键的开环反应生成了酰胺键和羧酸键,在重新亚胺化之后,酰胺键和羧酸键又重新闭环生成了聚酰亚胺;薄膜的力学性能测试结果表明水解处理降低了薄膜的杨氏模量,并且60 min内水解处理后薄膜的拉伸强度和断裂伸长率都增加了,而超过60 min的水解处理会使薄膜的力学性能下降。以氯化铝溶液作为Al~(3+)源,与不同水解时间处理后的聚酰亚胺薄膜进行离子交换反应,并经热亚胺化处理制备了表面包覆氧化铝的聚酰亚胺复合薄膜,分别对这一系列复合薄膜的微观形貌、热稳定性以及电性能进行了表征和测试。X射线光电子能谱分析表明,薄膜表面形成物质为氧化铝,且离子交换过程进行得较为完全,未检测出钾元素。透射电镜结果表明,复合薄膜中氧化铝分布在薄膜表层一定的厚度内,复合层和基体间存在清晰的界面;随着水解时间的延长,薄膜中氧化铝含量持续增加。性能测试及分析结果表明,复合薄膜的热稳定性均好于原始纯膜。复合薄膜在保持纯膜优异的击穿场强性能的同时,其热稳定性和耐电晕性与纯膜相比均出现了不同程度的提高。经90 min水解处理后的复合薄膜的耐电晕时间最长,达到了101.2 min,比纯膜的耐电晕时间9.8 min提高了10倍。采用扫描电镜研究对比了纯膜和复合薄膜在电晕放电下随着时间的延长表面形貌的变化和电晕击穿点的形貌,并总结了纯膜和复合薄膜老化击穿位置发生的规律。结果表明在电晕老化过程中,纯膜表面在短时间内就会因电晕放电破坏而被击穿,其表面形貌发生了巨大变化;相比之下,复合薄膜表面的破坏程度要小很多;纯膜击穿孔呈现规则的圆形孔,击穿孔边缘平滑并有热损伤的痕迹,击穿的位置发生在易积聚热量的中心区域;复合薄膜的击穿孔呈现不规则的椭圆形,击穿孔边缘有撕裂现象,击穿的位置发生在电晕破坏的区域。通过对其电晕击穿过程的分析表明,一方面氧化铝的引入提高了薄膜表面抵抗电晕破坏的能力,另一方面由于氧化铝具有良好的导热能力可以加快热量的散失,减小了薄膜发生热击穿的可能性,从而提高了薄膜的耐电晕寿命。在上述实验结果的基础上,利用Coats-Redfern法对聚酰亚胺薄膜进行热老化降解动力学分析,计算出纯膜和复合薄膜的热降解活化能分别为265.80 k J/mol和231.13 k J/mol。同时根据聚酰亚胺薄膜在电晕放电下的降解过程,对聚酰亚胺薄膜的电晕降解动力学进行建模分析,纯膜和复合薄膜的电晕降解活化能分别为14.72 k J/mol和48.37 k J/mol,该数值远低于复合薄膜的热老化降解活化能。理论分析认为,薄膜的电晕降解活化能比热降解活化能小说明电晕放电对薄膜的破坏不仅仅是热效应造成的,电晕所产生的高活性气体和高能射线等同样会对薄膜会造成严重的破坏,引发薄膜的电化学降解。复合薄膜中由于引入了氧化铝,氧化铝对聚酰亚胺分子形成了保护作用,从而提升了薄膜的抗电晕降解的能力,进而提高了薄膜的耐电晕寿命。


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