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光催化PI/TiO_2纳米杂化膜的制备与性能研究

陆畅  
【摘要】:聚酰亚胺(PI)是一种综合性能优异的材料,现已被广泛应用于航空航天、电子电器及微电子领域。PI/TiO_2纳米杂化材料由于TiO_2纳米粒子在增强耐热以及具有特殊的光电性能等方面都表现出较大的优势而越来越引起人们的重视。但是鲜少有光催化功能的PI/TiO_2纳米杂化材料的报道。本文以PI的两种前体聚酰胺酸和聚酰胺酸盐以及可溶性PI与纳米TiO_2混合,制备PI/TiO_2纳米杂化膜,研究其结构、形态和性能,尤其是光催化性能。主要工作如下:一、以均苯四酸二酐(PMDA)和二苯醚二胺(ODA)为单体出发制备聚酰胺酸(PAA)溶液,进一步与二氧化钛(TiO_2)水溶胶混合,经流延制膜后并热亚胺化制得TiO_2含量分别为1、3和5wt%的PI/TiO_2纳米杂化薄膜。通过FT-IR,EDS和TEM对PI/TiO_2纳米杂化膜的成分、结构和形态进行表征。结果显示TiO_2已经被成功引入PI基体中,并且以纳米尺寸均匀分布。光催化降解亚甲基蓝实验表明纯PI和三种纳米杂化膜PI/TiO_2(1%)、PI/TiO_2(3%)和PI/TiO_2(5%)在180 min内分别降解13.67、43.11、53.62和70.00%的亚甲基蓝溶液;光催化降解刃天青实验表明三种PI/TiO_2纳米杂化膜完全降解刃天青所需时间随着TiO_2含量的增加分别为390,330和270 min,而纯PI没有改变刃天青的颜色。结果说明PI/TiO_2纳米杂化膜具有显著的光催化活性。此外,TGA、拉伸强度和电击穿测定结果表明,TiO_2的引入增强PI/TiO_2纳米杂化膜热稳定性、力学性能和电性能。二、将上述PAA溶液与三乙胺反应制备聚酰胺酸盐(PAS)溶液,进一步与二氧化钛(TiO_2)水溶胶混合,经流延成膜、热亚胺化制得TiO_2含量分别为1、3和5wt%的PI/TiO_2纳米杂化薄膜。通过FT-IR,EDS和TEM对PI/TiO_2纳米杂化膜的成分、结构和形态进行表征。结果显示TiO_2以纳米尺寸均匀分布在PI基体中。亚甲基蓝的光催化降解结果显示纯PI和三种PI/TiO_2纳米杂化膜在180 min内分别降解13.50、41.47、52.38和65.15%的亚甲基蓝溶液;三种PI/TiO_2纳米杂化膜完全降解刃天青所需时间随着TiO_2含量的增加而减少,分别为480、420和330 min,而纯PI没有改变刃天青的颜色,表明PI/TiO_2纳米杂化膜具有显著的光催化活性。此外,TiO_2的引入改善PI/TiO_2纳米杂化膜的力学性能和电性能,热稳定性维持不变。三、以2,3,3’,4’-联苯四甲酸二酐与2,2’-双三氟甲基-4,4’-联苯二胺、间苯二胺单体共聚得到可溶性聚酰亚胺(KPI),KPI溶液再与TiO_2水溶胶共混,经流延成膜后热亚胺化制得TiO_2含量分别为1、3和5wt%的PI/TiO_2纳米杂化薄膜。通过FT-IR和EDS手段研究PI/TiO_2纳米杂化膜的成分和化学结构。TEM观察到TiO_2以纳米尺寸形式均匀分散在PI基体中。纯PI、PI/TiO_2(1%)、PI/TiO_2(3%)和PI/TiO_2(5%)纳米杂化膜在180 min内分别降解10.75、41.44、53.06和70.30%的亚甲基蓝溶液;三种PI/TiO_2纳米杂化膜完全降解刃天青所需时间分别为420,330和270 min,而纯PI没有改变刃天青的颜色,这些结果说明PI/TiO_2纳米杂化膜具有显著的光催化活性。另外,纳米TiO_2的掺杂增强PI膜热稳定性和力学性能,且透明性维持不变。综上所述,以PAA和PAS为前体以及KPI与纳米TiO_2(≤5wt%)混合得到的PI/TiO_2纳米杂化膜均显示显著的光催化性能,热稳定性和力学性能也有不同程度的提升。以PAA为前体制备的纳米杂化薄膜的力学性能最优;TiO_2直接掺杂KPI后的热稳定性能最优;这两类PI/TiO_2的光催化活性相较于PAS为前体制备的PI/TiO_2更高。


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