PI/SiO纳米杂化薄膜的制备及性能研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lidandanlidd12141
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聚酰亚胺作为一种高性能工程塑料,在宽广的温度范围内表现出优异的物理、化学和电性能,又因其合成工艺上具有多种途径的特点,使其制品种类繁多,广泛应用于航空/航天、电气/电子等领域。近年来,随着高新技术的发展与应用,各领域对高性能化、功能化聚酰亚胺材料的需求日益迫切。作为聚酰亚胺主要制品之一的聚酰亚胺薄膜,其应用领域不断扩大,为满足对其高性能化、功能化的需求,国内外学者针对聚酰亚胺薄膜的改性研究做了大量工作。近十年来,研究热点在于:采用溶胶—凝胶途径,将各种无机组分引入聚酰亚胺基质中,制备聚酰亚胺/无机纳米杂化薄膜,主要研究了无机纳米组分的掺杂对杂化薄膜的拉伸强度、断裂伸长率、热分解温度、玻璃化转变温度以及相对介电系数的影响规律,但理论分析不够深入,而对主要作为绝缘材料使用的聚酰亚胺薄膜的电性能研究鲜有报导。 本文采用两相原位同步聚合技术制备聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO<,2>)纳米杂化薄膜。在掺杂胶液的制备中,有机相是通过均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4-二氨基二苯醚(ODA)在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)的溶液中经逐步缩聚反应制备,无机相是通过正硅酸乙酯(TEOS)或甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)在DMAc的溶液中经溶胶—凝胶反应与聚酰胺酸原位同步生成。实验中用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APrTEOS)做偶联剂以促进有机/无机两相的相容性。杂化薄膜的制备是将掺杂胶液浇铸在玻璃板上,经热亚胺化成膜。 采用傅立叶变换红外光谱和扫描电镜能谱分析技术对杂化薄膜的化学结构进行分析,证实了杂化薄膜中有二氧化硅组分存在。用原子力显微镜和扫描电子显微镜对杂化薄膜的表面形貌和断面形貌进行表征。研究结果表明,二氧化硅的掺杂量从5wt%到30wt%变化时,采用两相原位同步聚合技术均能获得相分散程度较好的纳米杂化薄膜。以。TEOS为无机前驱体时(A体系),二氧化硅纳米粒子呈球状,以MTEOS为无机前驱体时(B体系),二氧化硅粒子呈棒状。随着二氧化硅含量增加,杂化薄膜中二氧化硅与聚酰亚胺基质形成了相互贯穿的半互穿网络。研究表明:制备工艺、无机前驱体水解所需水量、偶联剂及亚胺化过程等因素对杂化薄膜的聚集态结构均有影响。 采用WDW型电子万能试验机对杂化薄膜的力学性能进行了分析测试。结果表明,当二氧化硅含量为5wt%时,与纯聚酰亚胺薄膜相比,两个 体系杂化薄膜的韧性稍有下降,拉伸强度和断裂伸长率变化不大,但当二氧化硅增大时,这些力学性能参数开始下降,B体系下降幅度大于A体系。导致力学性能变化的主要因素是二氧化硅掺杂对薄膜中聚酰亚胺分子链排列有序性的影响程度,棒状的二氧化硅粒子不利于薄膜力学性能的改善。 对杂化薄膜进行热分析结果显示,A体系中,二氧化硅含量低于12.5wt%,失重10%时的分解温度略高于纯聚酰亚胺薄膜,二氧化硅含量超过12.5wt%时,热分解温度明显下降;B体系中,各种二氧化硅掺杂量的杂化薄膜,其失重10%的分解温度均高于纯聚酰亚胺薄膜。其中掺杂量为5wt%时,提高幅度最大,为21℃。对于A、B两体系,当二氧化硅含量超过12.5wt%时,对薄膜热分解温度影响变得不显著,棒状的二氧化硅粒子有利于薄膜热稳定性的提高。 二氧化硅的掺杂对杂化薄膜电性能的影响较为复杂,针对不同的电性能参数,具体权重影响因素不同。对于相对介电系数和介电损耗,所有二氧化硅含量的杂化薄膜的相对介电系数均高于纯聚酰亚胺薄膜,且几乎不随频率变化。A体系杂化薄膜的介电损耗普遍高于纯聚酰亚胺薄膜,B体系杂化薄膜的介电损耗与纯聚酰亚胺薄膜相差不大,且两个体系杂化薄膜的介电损耗值均随测试频率的增加呈单调上升趋势。纳米二氧化硅的引入在一定程度上能抑制电击穿和热击穿的发生,并能显著提高杂化薄膜的耐电晕能力,随着二氧化硅含量增加,纳米二氧化硅粒子在电晕老化过程中发生团聚以消耗和传导薄膜中积聚的热能。A体系杂化薄膜在二氧化硅含量达到30wt%时,耐电晕时间达到180h,较纯聚酰亚胺薄膜提高了47倍,B体系杂化薄膜在二氧化硅含量达到25wt%时,耐电晕时间也达到180h。适量且易于导热组分的掺杂和有利于热传导的聚集态结构是薄膜耐电晕能力提高的主要原因。
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