聚酰亚胺/二氧化硅杂化薄膜的制备与性能研究

论文摘要

随着航空、航天等现代高科技的飞速发展对材料的性能提出了更高要求。有机/无机杂化材料兼具有机高聚物和无机材料两者的优点,近年来越来越受到人们的重视。聚酰亚胺是迄今为止在工业应用中耐热等级最高的聚合物材料之一。它具有优异的热性能、机械性能和电性能,是一种重要的工程塑料,已在航天航空、电子电气等多项产业中得到广泛应用。聚酰亚胺的高热稳定性和高玻璃化转变温度有助于稳定以纳米尺寸分散的微粒,不使其聚集,对合成杂化材料十分有利。但是,其高的吸湿率（达到3-4%）和高的热膨胀系数（～5*110-5K-1）妨碍了它的更广泛应用。聚酰亚胺/无机杂化薄膜常采用溶胶—凝胶法来制备。本文从传统的溶胶—凝胶法中获得启示,将二氧化硅溶胶处理后原位聚合制备了二氧化硅掺杂的聚酰亚胺薄膜。本文以均苯四甲酸二酐（PMDA）和4,4’-二胺基二苯醚（4,4’-ODA）为聚合原料,成功合成出了聚酰亚胺预聚体—聚酰胺酸（PAA）,并对PAA溶液的稳定性和流动性进行了研究,结果表明PAA/N,N’-二甲基乙酰胺（DMAc）溶液表现为典型的切力变稀,在室温下储存溶液的稳定性较好,且在固含量为10%时,溶液有较好流动性和成膜性。文中提出了一种新的无水二氧化硅有机溶剂分散液的制备方法,并用此方法获得了无水二氧化硅N,N’-二甲基乙酰胺分散液,该分散液制备方法的提出为无水体系二氧化硅纳米杂化材料的制备提供了基础条件。采用原位聚合法制备了PI/纳米SiO2杂化薄膜,并采用FTIR、升温FTIR、TGA、SEM、DMA、力学性能测试等手段研究了SiO2的加入对PAA热酰亚胺过程、PI热稳定性、玻璃化转变、力学性能等的影响。结果表明,纳米SiO2加入后对PAA的热酰亚胺化过程及程度没有明显影响,酰亚胺化在100℃左右开始,300℃基本完成,剧烈的亚胺化过程发生在150℃和250℃左右。SiO2粒子在PI基体中均匀分散,当SiO2含量较低（3wt%）时,SiO2可以100nm左右的尺度分散,因此PI/SiO2杂化膜的拉伸强度及断裂伸长率有所提高,但当含量进一步提高后,由于SiO2粒子的团聚发生,反而使得杂化膜的拉伸强度及断裂伸长率出现下降。但弹性模量却可随SiO2含量的增加而逐渐提高。同时,PI的热失重温度由于SiO2的引入而有所提高,且随着SiO2含量的增加,杂化膜的热稳定性不断提高,当SiO2含量为8.0%时,PI/SiO2杂化膜的热失重温度较纯PI提高近20℃。此外,动态力学分析表明PI/SiO2杂化膜较纯PI具有较高的玻璃化转变温度,且玻璃化转变区域宽化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 聚酰亚胺概况
• 1.1.1 聚酰亚胺的历史与现状
• 1.1.2 聚酰亚胺的种类和性能
• 1.1.3 聚酰亚胺的合成方法
• 1.1.4 聚酰亚胺的应用
• 1.1.5 聚酰亚胺的改性
• 2纳米复合薄膜概况'>1.2 PI/SiO₂纳米复合薄膜概况
• 1.2.1 纳米二氧化硅的性质
• 2纳米复合薄膜的制备方法'>1.2.2 PI/SiO₂纳米复合薄膜的制备方法
• 2纳米复合材料影响因素'>1.2.3 纳米微粒直接分散法制备PI/SiO₂纳米复合材料影响因素
• 2纳米复合薄膜的应用'>1.2.4 PI/SiO₂纳米复合薄膜的应用
• 1.3 本论文的研究目的及内容
• 1.3.1 论文的研究目的
• 1.3.2 论文的实验步骤
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要实验原料
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.3 实验方法
• 2/DMAc分散液的制备'>2.3.1 SiO₂/DMAc分散液的制备
• 2.3.2 PI/SiO2纳米复合薄膜的制备
• 2.4 表征和测试方法
• 2.4.1 相对粘度测试
• 2.4.2 溶液流变性能测试
• 2.4.3 吸水率测试
• 2.4.4 化学结构表征
• 2.4.5 表面和内部形态观察
• 2.4.6 耐热性能测试
• 2.4.7 力学性能测试
• 2.4.8 绝缘性能测试
• 2杂化膜的制备及性能研究'>第三章 PI/纳米SiO₂杂化膜的制备及性能研究
• 3.1 聚酰亚胺合成过程研究
• 3.1.1 聚酰亚胺的合成
• 3.1.2 聚酰胺酸合成过程的影响因素
• 3.1.3 聚酰胺酸的粘度及酰亚胺化分析
• 3.2 无水二氧化硅有机溶剂分散液的制备及表征
• 3.2.1 无水二氧化硅N,N'-二甲基乙酰胺分散液的制备
• 3.2.2 无水二氧化硅N,N'二甲基乙酰胺分散液的粒径分析
• 2溶液性质的研究'>3.3 PAA/SiO₂溶液性质的研究
• 2溶液的稳定性研究'>3.3.1 PAA/SiO₂溶液的稳定性研究
• 2溶液的流变性研究'>3.3.2 PAA/SiO₂溶液的流变性研究
• 2溶液的静态流变性'>3.3.2.1 PAA/SiO₂溶液的静态流变性
• 2溶液的动态流变行为'>3.3.2.2 PAA/SiO₂溶液的动态流变行为
• 2纳米杂化膜的制备及结构与性能研究'>3.4 PI/SiO₂纳米杂化膜的制备及结构与性能研究
• 2纳米杂化膜的制备'>3.4.1 PI/SiO₂纳米杂化膜的制备
• 2纳米杂化膜的结构与性能研究'>3.4.2 PI/SiO₂纳米杂化膜的结构与性能研究
• 2纳米杂化薄膜的化学结构分析'>3.4.2.1 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的化学结构分析
• 2纳米杂化薄膜的相态考察'>3.4.2.2 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的相态考察
• 2纳米杂化薄膜的吸水性'>3.4.2.3 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的吸水性
• 3.4.2.4 PI/SiO2纳米杂化薄膜的力学性能分析
• 2纳米杂化薄膜的透明性研究'>3.4.2.5 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的透明性研究
• 2纳米杂化薄膜的热失重分析（TGA）'>3.4.2.6 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的热失重分析（TGA）
• 2纳米杂化薄膜的动态力学分析'>3.4.2.7 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的动态力学分析
• 2纳米杂化薄膜的导电性'>3.4.2.8 PI/SiO₂纳米杂化薄膜的导电性
• 第四章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢