杂萘联苯聚芳醚薄膜的制备及其摩擦性能研究

论文摘要

微机电系统（MEMS）由于其体积微型化所带来的微/纳尺寸上粘着失效和摩擦磨损等问题成为影响其性能和稳定性的重要原因。本论文针对改善MEMS表面润滑薄膜的机械性能、抗磨损性能并使其更适合高温工况条件,采用具有较高机械强度和热稳定性、良好的溶解性及成膜性的杂萘联苯聚芳醚（PPEK和PPEN）树脂为基体,通过对此类聚合物进行化学改性,在聚合物分子主链中引入了反应性官能团,分别经过溶胶—凝胶法和分子自组装技术在玻璃基片表面制备了润滑薄膜,对薄膜的结构和性能进行表征,并考察了薄膜的摩擦学性能。本文以NaBH4为还原剂对含有二氮杂萘酮结构聚芳醚酮（PPEK）进行羟基化改性,研究了反应时间、温度、溶剂及反应物浓度对还原反应的影响,并讨论了反应动力学。通过测定玻璃化转变温度（Tg）、水接触角和溶解性,研究了还原后聚合物（HPPEK）的性能变化。结果表明,HPPEK随羰基还原程度的提高,其Tg逐渐升高,亲水性能增强。HPPEK分别与异氰酸酯基硅烷偶联剂（ICPTES）和环氧基硅烷偶联剂（GPTMS）反应,得到了含有无机硅氧烷官能团的聚合物（即PKCS和PKGS）。与HPPEK相比,PKCS和PKGS的Tg显著升高,疏水性能增强。PKCS和PKGS由于发生交联反应而导致溶解性下降。通过对杂萘联苯聚芳醚腈（PPEN）进行亲水改性,使之获得具有活性反应基团（羧基）的树脂（HPPEN）,研究了反应时间、温度、溶剂及反应物浓度对水解反应的影响,并讨论了反应动力学。HPPEN经酰基化反应后,利用胺基硅烷偶联剂（APTES）对其进行化学修饰,得到了含有无机硅氧烷官能团的树脂（PNAS）,其热性能、亲水性和溶解性与PKCS和PKGS相似。采用浸涂法在玻璃基片表面制备了含硅氧烷官能团聚芳醚（PKCS、PKGS和PNAS）/SiO2杂化薄膜。通过对杂化薄膜表面进行表征和形貌分析,证实了玻璃基片表面杂化薄膜的存在。杂化薄膜修饰的基底具有很好的减摩抗磨性能,当载荷为50 mN及100 mN时,杂化薄膜的稳定摩擦系数为0.1左右,且摩擦5h后摩擦系数变化不大。薄膜的摩擦失效机理主要为疲劳磨损。含二氮杂萘酮结构聚芳醚（PPEK、PPEN）高性能树脂经过化学改性后,在聚合物分子主链中引入了反应性基团（羟基、羧基和硅氧烷基团）,利用短链分子自组装技术在玻璃基底表面通过“接枝到”的方式制备了“横向”排列的聚合物自组装薄膜。含杂萘联苯结构聚芳醚自组装薄膜在较短时间内（1h）其厚度和水接触角即可达到稳定值。利用椭圆偏振光法和SEM观测,聚芳醚自组装薄膜的厚度在100nm左右。根据聚芳醚自组装薄膜的水接触角在逐步升温过程中的变化,发现聚芳醚自组装薄膜在300℃以内能够保持较好的疏水性（薄膜具有较好的完整性）,其结果与聚合物材料自身的热稳定性具有很好的一致性。玻璃基底经过聚芳醚自组装薄膜修饰后表现出较好的减摩抗磨性能,在100mN载荷下,聚芳醚自组装薄膜的摩擦系数约为0.1,且在较长时间范围内（1800s）摩擦系数变化不大。聚芳醚自组装薄膜的摩擦系数随着载荷的增加而逐渐变大;随滑动速度的增加而下降。含杂萘联苯结构聚芳醚杂化薄膜和自组装薄膜的摩擦磨损试验表明,该系列薄膜可望用于微机电系统（MEMS）的润滑与防护。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 微机电系统的发展概况
• 1.1.1 微机电系统的定义
• 1.1.2 微机电系统的基本特征
• 1.1.3 微机电系统中的摩擦学研究
• 1.1.4 微机电系统中的薄膜润滑研究
• 1.2 有机/无机聚合物杂化材料研究概况
• 1.2.1 有机/无机聚合物杂化材料的制备方法
• 1.2.2 利用sol-gel法制备有机/无机聚合物杂化材料
• 1.2.3 有机/无机聚合物杂化薄膜材料在摩擦学中的应用
• 1.3 自组装膜材料研究概况
• 1.3.1 自组装单分子膜成膜机理
• 1.3.2 有机小分子自组装膜摩擦学研究进展
• 1.3.3 聚合物自组装膜摩擦学研究进展
• 1.4 含二氮杂萘酮联苯结构聚芳醚树脂的研究进展
• 1.4.1 合成与开发
• 1.4.2 结构与性能
• 1.4.3 改性与应用
• 1.5 本论文的目的及研究内容
• 2 杂萘联苯聚芳醚酮官能化改性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 测试方法
• 2.2.3 聚芳醚酮羟基化改性
• 2.2.4 异氰酸酯基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚酮
• 2.2.5 环氧基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚酮
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚芳醚酮羟基化改性产物的结构表征
• 2.3.2 反应条件对聚芳醚酮还原率的影响
• 2.3.3 聚芳醚酮羟基化反应动力学研究
• 2.3.4 聚芳醚酮羟基化改性产物的性能研究
• 2.3.5 异氰酸酯基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚酮的合成与表征
• 2.3.6 异氰酸酯基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚酮产物的性能研究
• 2.3.7 环氧基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚酮的合成与表征
• 2.3.8 环氧基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚酮产物的性能研究
• 2.4 本章小结
• 3 杂萘联苯聚芳醚腈官能化改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 测试方法
• 3.2.3 聚芳醚腈水解改性
• 3.2.4 聚芳醚腈水解产物酰基化反应
• 3.2.5 胺基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚腈
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 聚芳醚腈水解产物的结构表征
• 3.3.2 反应条件对腈基水解的影响
• 3.3.3 聚芳醚腈水解反应动力学研究
• 3.3.4 聚芳醚腈水解产物的性能研究
• 3.3.5 聚芳醚腈水解产物酰基化反应的合成与表征
• 3.3.6 胺基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚腈的合成与表征
• 3.3.7 胺基硅烷偶联剂修饰杂萘联苯聚芳醚腈产物的性能研究
• 3.4 本章小结
• 4 有机/无机聚芳醚杂化薄膜的制备及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 杂化薄膜材料的表征与性能测试
• 4.2.3 样品的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 基本反应
• 4.3.2 反应条件的确立
• 4.3.3 杂化薄膜的表征
• 4.3.4 杂化薄膜表面形貌分析
• 4.3.5 杂化薄膜摩擦学性能研究
• 4.4 本章小结
• 5 聚芳醚自组装薄膜的制备及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 自组装薄膜材料的表征与性能测试
• 5.2.3 玻璃基片表面羟基化改性处理
• 5.2.4 聚合物自组装薄膜的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 自组装聚合物的合成及其自组装行为研究
• 5.3.2 聚合物自组装薄膜的表征
• 5.3.3 聚合物自组装薄膜的热性能研究
• 5.3.4 聚合物自组装薄膜的铅笔硬度
• 5.3.5 聚合物自组装薄膜的形态特征
• 5.3.6 聚合物自组装薄膜摩擦学性能研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录:本论文中所用英文缩写符号说明
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 论文创新点摘要
• 致谢