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聚酰亚胺纳米复合薄膜的制备与性能研究

崔晓萍  
【摘要】:聚酰亚胺(PI)是主链上含有酰亚胺环特征结构的一类聚合物统称。具有机械强度高、绝缘性能好等特点。被广泛应用于原子能、高性能微波武器、医疗器械、微电子等条件要求苛刻的尖端领域及相关行业。但是,随着科技的发展,尤其是高容量电子产品变得更薄、更轻、更加兼容以及高压电机器件在高电压负荷下运转寿命的提高等等方面的需求,使传统PI的介电、力学等性能已经难以满足相关领域对PI绝缘材料越来越高的要求。同时,对于一般PI来讲,赋予它们优异性能的刚性主链结构使其存在难溶难熔、加工成型困难等缺陷,这同样限制了PI的使用范围。近年来的研究表明:PI的性能可以通过选择适当的无机纳米粒子、经过合适的复合途径而得到改善。原因在于:纳米粒子不同于相应的块体材料,它具有独特的量子尺寸等效应,从而赋予了纳米粒子一系列奇异的物化特性,使其与有机高分子材料复合显现出独特的优势。所以,PI与纳米材料复合就成为提高其性能的一条有效途径。本文为了提高PI的加工、力学、介电、热稳定等性能,在测试、分析分子结构与性能关系的基础上,确定以含有柔性醚键(-O-)的4,4'-双(3-氨基苯氧基)联苯(4,3-BAPOBP)为二胺单体,与均苯四甲酸二酐(PMDA)在N,N'-二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中合成PI基体;以纳米三氧化二铝(Al_2O_3)、纳米二氧化硅(SiO_2)、纳米二氧化钛(TiO_2)以及微晶白云母(mica)等陶瓷类无机材料为增强添加剂,分别与PI进行复合,制备了兼具优异力学、介电、热稳定等性能的PI纳米复合薄膜,考察了纳米粒子在PI基体中的分散情况,并深入研究了陶瓷类无机纳米填料对PI基体性能的影响变化规律。本文具体研究内容如下:(1)聚酰胺酸/纳米粒子(PAA/纳米粒子)是制备PI纳米复合薄膜的中间体,为了保证复合薄膜的质量,合成PAA/纳米粒子的工艺条件控制非常重要。本文首先以气相纳米Al_2O_3无机改性粒子为例,选用体系的特性粘度为考察指标,通过正交实验和单因素实验对PAA/Al_2O_3的合成工艺条件进行了细化和优化,在诸多影响条件中,根据实际经验选择4,3-BAPOBP与PMDA的摩尔比、反应温度、固含量及反应时间为正交实验中的因素。结果表明:当二胺与二酐的摩尔配比为1:1.01~1:1.02,反应温度为15~25℃,体系中的固含量为18~20%,反应时间为5~6 h左右时效果最好。在此基础上,用三种含有柔性基团的二胺单体分别与PMDA合成PI薄膜,通过性能测试及分析,揭示了分子结构与性能之间的关系,最后确定以热稳定性和加工等性能好的PI(4,3-BAPOBP/PMDA)为基体进行纳米改性。(2)用KH550为偶联剂对气相Al_2O_3纳米粒子进行改性;然后以改性和未改性的Al_2O_3纳米粒子为补强剂,采用原位聚合的方法先制得PI/Al_2O_3纳米复合薄膜的中间体PAA/Al_2O_3,最后在高温下对中间体进行热亚胺化处理得到PI/unmodied Al_2O_3和PI/modied Al_2O_3目标物。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)观看纳米粒子在试样中的分散情况,用红外光谱(FTIR)、LCR数字电桥、高压电源、电子万能材料试验机以及差示扫描量热法(DSC)对所制备薄膜的微观结构、介电性能、力学性能和玻璃化转变温度(T_g)进行了表征和测试;并对由KH550改性和未改性的PI/Al_2O_3纳米复合薄膜的微观结构及性能进行了比较。微观结构测试表明:改性或未改性的气相纳米Al_2O_3在超声、机械搅拌等物理辅助作用下,能够较为均匀地在基体中分散;性能测试表明,PI与纳米Al_2O_3复合后,对改善PI的介电、力学等性能都起到了积极作用,当改性过的Al_2O_3含量为8 wt.%时,击穿强度由254 MV/m增大到311 MV/m,拉伸强度由75.6 MPa增加到93.9 MPa。(3)在制备PI纳米复合材料过程中,纳米粒子在基体中的分散效果直接影响着复合材料最终的性能。使用偶联剂是改善纳米粒子在基体中分散情况常用的方法,但是如果处理不当,偶联剂的任何残留都会降低复合材料的性能。为了提高纳米粒子在基体中的分散效果和简化制备工艺,在不添加偶联剂的情况下,以疏水性气相纳米二氧化硅(hydrophobic aerosil)为纳米SiO_2的中间体,通过多种物理方法相结合的方式,制备含量分别为0、2、4、6、8和10 wt.%的PI/SiO_2纳米复合薄膜。FTIR及SEM图片表明,通过本文中的实验方案能够制得纳米粒子分散均匀的PI/SiO_2纳米杂化薄膜;力学测试结果表明,在基体中添加SiO_2能够显著提高薄膜的拉伸强度和杨氏模量,且当SiO_2含量为8 wt.%时,二者在曲线中均处于顶峰,分别为92.1 MPa和1.82 GPa;介电性能同样得到了明显改善,击穿强度最大提高了28.3%。(4)一系列纳米粒子含量不同的PI/二氧化钛(TiO_2)纳米复合薄膜被成功制得。试样的微观结构、介电及力学性能通过SEM、XRD、紫外-可见(UV–Vis)分光光度计、LCR数字电桥、高压电源等多种物理化学仪器进行了测试。从整体上讲,当纳米TiO_2的含量较低时,通过本实验方案中的方法能够使其在复合薄膜中实现较为均一分布;当含量大于9 wt.%以后,就会出现较为明显的团聚现象。当体系中TiO_2含量为9 wt.%时,击穿强度和断裂强度均达到最大值;同时,介电常数随TiO_2含量的增加而单调递增。(5)云母(mica)是一种具有层状结构的硅酸盐,它优良的介电、热稳定等性能使它成为提高材料相应性能的理想添加剂。本文制得的PI/mica复合薄膜中,mica分散状态良好;当mica含量为8 wt.%时,所制试样的T_g最高,且击穿强度(375 MV/m)和拉伸强度(94.9 MPa)也最大,较纯PI分别提高了47%和25.5%;另外,介电常数随mica含量的增加而单调递增,当测试频率为100 Hz时,由3.8提高到了5.3左右。


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