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聚酰亚胺/SiO2-Al2O3纳米杂化薄膜的制备、表征与性能

2020-11-22阅读(495)

聚酰亚胺/SiO2-Al2O3纳米杂化薄膜的制备、表征与性能

论文摘要

目前,人们已将聚酰亚胺（PI）与SiO2、TiO2和蒙脱土等单组分无机物制成杂化材料,并且表现出优异的物理化学性能,但是将两种组分同时掺入PI基体中,由于工艺、制备等因素的复杂性,该方面的报道较少。本文用正交试验设计法,研究了聚酰胺酸固体含量、反应温度、加料间隔时间和反应时间对聚酰胺酸分子量及其分布的影响,采用凝胶渗透色谱仪测试了不同反应条件下合成的聚酰胺酸的分子量,确定了合成最高分子量聚酰胺酸的反应条件,该反应条件为反应温度:15℃;固体含量:8wt%;加料间隔时间:9min;反应时间:3h。用超声-机械共混法制备了PI/SiO2、PI/Al2O3和PI/SiO2-Al2O3杂化薄膜。采用红外光谱仪、原子力显微镜表征了杂化薄膜的结构和形貌,测试了杂化薄膜的热稳定性、紫外-可见光透过率、力学性能和耐电晕性。红外光谱分析表明杂化薄膜亚胺化不完全;原子力显微镜分析表明超声波对无机纳米粒子的分散作用明显,使纳米SiO2粒子较均匀地分散在PI基体中,平均粒径70nm左右。杂化薄膜的耐电晕性比纯PI薄膜有所提高,且随着纳米粒子含量的增加有上升趋势,但提高不太明显,耐电晕时间最长提高4倍左右。杂化薄膜与纯PI薄膜相比,热稳定性稍有下降;拉伸强度和断裂伸长率稍有提高;紫外-可见光透过率降低。采用溶胶-凝胶法制备了PI/SiO2、PI/Al2O3和PI/SiO2-Al2O3杂化薄膜。探讨了无机含量、无机组分重量比、杂化工艺和亚胺化工艺对无机相形态结构、尺寸、均匀性、分散性以及杂化薄膜的热稳定性、电击穿场强、介电性能、耐电晕性、紫外-可见光透过率和力学性能的影响。通过红外光谱仪、原子力显微镜、紫外-可见分光光度计和示差扫描量热仪,分析了聚酰胺酸的亚胺化反应。结果表明随亚胺化温度的升高,无机相尺寸和紫外-可见光透过率先增大后减小,在140℃时出现峰值。混合溶胶使聚酰胺酸的反应热降低,加速了聚酰胺酸的亚胺化反应。在溶胶-凝胶法中,根据加入溶胶的方法不同进行一系列实验。首先,在合成聚酰胺酸后加入不同的溶胶。由傅立叶红外光谱谱图可以看出PI杂化薄膜已完全亚胺化,在硅铝共杂化的薄膜中,存在Si-O-Si、Al-O-Al结构,且PI基体与纳米粒子之间有一定键合,并有Si-O-Al结构形成。扫描电镜结果表明在硅铝共杂化的薄膜中存在球形和短纤维形两种无机相形貌,通过点元素分析某一无机颗粒处既存在硅元素又存在铝元素,进一步说明有Si-O-Al结构形成。其次,在合成聚酰胺酸过程中加入溶胶,并对中间加入溶胶是否使用超声波两种不同加胶方法进行比较。扫描电镜和原子力显微镜结果表明采用中间加入溶胶的方法制备的聚酰亚胺/无机杂化薄膜,其无机粒子的粒径为纳米级,溶胶在反应过程中加入比在合成聚酰胺酸后加入有利于无机纳米粒子的均匀分散,且粒子尺寸更小。溶胶在反应过程中加入时,使用超声更有益于无机纳米粒子的均匀分散。X-射线衍射实验结果表明未掺杂溶胶的PI薄膜具有一定有序度,而杂化薄膜中无机组分为非晶态,无机组分的加入破坏了PI薄膜有序度,加入偶联剂或改变亚胺化工艺可以改变杂化薄膜的有序度。偶联剂DB-550的加入改变了杂化薄膜的分子结构。各项性能测试结果表明无机含量和无机组分重量比影响杂化薄膜的紫外-可见光透过率、热稳定性、电击穿场强、耐电晕性、介电性能和力学性能。用超声溶胶并在合成聚酰胺酸过程中加入法所制备的薄膜,在紫外-可见光透过率、热稳定性、电击穿场强、耐电晕性和力学性能上,比其它溶胶加入方法好。硅铝共杂化薄膜,在性能上比SiO2或Al2O3的杂化薄膜好。双无机组分与单无机组分掺杂的杂化薄膜相比,有可能实现某些性能在更宽范围内的调整。当杂化薄膜中的无机含量为4wt%,SiO2与Al2O3的重量比为4:1,且加入一定量的偶联剂DB-550时,其综合性能最为优异。其热分解温度比纯膜提高了18℃左右;电击穿场强比纯膜提高了近20%,耐电晕时间是纯膜的16倍;拉伸强度比纯膜提高了近50%,断裂伸长率比纯膜提高了近136%。杂化薄膜的介电常数和介电损耗与频率的关系,符合德拜松弛极化机理。纳米无机氧化物对杂化薄膜的介电常数、介电损耗的影响是复杂和反常的,这些影响因素的因果关系有待进一步探讨。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 前言
  • 1.2 聚酰亚胺的发展概况和发展趋势
  • 1.2.1 聚酰亚胺的发展概况
  • 1.2.2 聚酰亚胺的发展趋势
  • 1.3 有机/无机杂化材料
  • 1.3.1 有机/无机杂化材料的制备方法
  • 1.3.2 有机/无机杂化材料的分类
  • 1.3.3 有机/无机杂化材料的特点与应用
  • 1.4 聚酰亚胺杂化薄膜的研究现状
  • 2 杂化薄膜的研究现状'>1.4.1 聚酰亚胺/SiO2杂化薄膜的研究现状
  • 1.4.2 聚酰亚胺/MMT 杂化薄膜的研究现状
  • 2 杂化薄膜的研究现状'>1.4.3 PI/TiO2杂化薄膜的研究现状
  • 1.4.4 聚酰亚胺其它杂化薄膜的研究现状
  • 1.5 本课题来源及主要研究内容
  • 1.5.1 课题来源
  • 1.5.2 主要研究内容
  • 第2章 影响聚酰胺酸分子量及其分布因素分析
  • 2.1 引言
  • 2.2 二步法制备PI 原理
  • 2.3 聚酰胺酸配方和反应条件设计
  • 2.3.1 聚酰胺酸配方
  • 2.3.2 正交试验设计
  • 2.3.3 具体加料模式
  • 2.4 聚酰亚胺薄膜的制备及分析测试方法
  • 2.4.1 原料及处理
  • 2.4.2 聚酰胺酸的合成
  • 2.4.3 亚胺化工艺
  • 2.4.4 工艺流程
  • 2.4.5 分析测试方法
  • 2.5 结果与讨论
  • 2.5.1 影响聚酰胺酸分子量单个因素分析
  • 2.5.2 影响聚酰胺酸分子量分布单个因素分析
  • 2.5.3 合成最高分子量聚酰胺酸的反应条件
  • 2.5.4 分子量对薄膜热稳定性的影响
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 聚酰亚胺杂化薄膜的制备
  • 3.1 引言
  • 3.2 超声波辅助反应原理
  • 3.3 原料及处理
  • 3.3.1 原料
  • 3.3.2 原料处理
  • 3.4 超声-机械共混法制备杂化薄膜
  • 3.4.1 聚酰胺酸混合胶液的制备
  • 3.4.2 亚胺化工艺
  • 3.4.3 工艺流程
  • 3.5 溶胶-凝胶法制备杂化薄膜
  • 3.5.1 溶胶的制备
  • 3.5.2 聚酰胺酸混合胶液的制备
  • 3.5.3 亚胺化工艺
  • 3.5.4 工艺流程
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 亚胺化反应分析及杂化薄膜分子结构预测
  • 4.1 引言
  • 4.2 红外光谱分析
  • 4.2.1 红外光谱测试方法
  • 4.2.2 亚胺化反应各阶段红外光谱分析
  • 4.2.3 杂化薄膜的红外光谱分析
  • 4.3 示差扫描量热分析
  • 4.3.1 示差扫描量热测试方法
  • 4.3.2 DSC 曲线分析
  • 4.4 原子力显微镜分析
  • 4.4.1 原子力显微镜测试方法
  • 4.4.2 AFM 相图分析
  • 4.5 紫外-可见光光谱分析
  • 4.5.1 紫外-可见光光谱测试方法
  • 4.5.2 紫外-可见光光谱分析
  • 4.6 杂化薄膜分子结构预测
  • 4.6.1 不含偶联剂杂化薄膜的分子结构预测
  • 4.6.2 含偶联剂杂化薄膜的分子结构预测
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 杂化薄膜的结构表征
  • 5.1 引言
  • 5.2 原子力显微镜分析
  • 5.2.1 超声-机械共混法制备杂化薄膜的AFM 分析
  • 5.2.2 溶胶-凝胶法制备杂化薄膜的AFM 分析
  • 5.3 扫描电子显微镜分析
  • 5.3.1 扫描电子显微镜测试方法
  • 5.3.2 薄膜表面形貌及颗粒点元素表征
  • 5.3.3 薄膜的断面形貌表征
  • 5.4 X-射线衍射分析
  • 5.4.1 X-射线衍射测试方法
  • 5.4.2 无机凝胶相结构分析
  • 5.4.3 杂化薄膜相结构分析
  • 5.5 紫外-可见光光谱分析
  • 5.5.1 超声-机械共混法制备的薄膜的光学行为分析
  • 5.5.2 溶胶-凝胶法制备薄膜的光学行为分析
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 杂化薄膜热稳定性影响因素的研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 超声-机械共混法制备薄膜的热稳定性
  • 6.3 溶胶-凝胶法制备薄膜的热稳定性
  • 6.3.1 无机组分对薄膜热稳定性的影响
  • 6.3.2 溶胶加入方法对薄膜热稳定性的影响
  • 6.3.3 无机含量对薄膜热稳定性的影响
  • 6.3.4 无机组分重量比对薄膜热稳定性的影响
  • 6.3.5 偶联剂对薄膜热稳定性的影响
  • 6.3.6 亚胺化工艺对薄膜热稳定性的影响
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 杂化薄膜力学性能影响因素的研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 力学性能测试方法
  • 7.3 超声-机械共混法制备薄膜的力学性能
  • 7.4 溶胶-凝胶法制备薄膜的力学性能
  • 7.4.1 无机组分对薄膜力学性能的影响
  • 7.4.2 溶胶加入方法对薄膜力学性能的影响
  • 7.4.3 无机含量对薄膜力学性能的影响
  • 7.4.4 无机组分重量比对薄膜力学性能的影响
  • 7.4.5 偶联剂对薄膜力学性能的影响
  • 7.4.6 亚胺化工艺对薄膜力学性能的影响
  • 7.5 本章小结
  • 第8章 杂化薄膜电学性能影响因素的研究
  • 8.1 引言
  • 8.2 电击穿场强
  • 8.2.1 电击穿场强测试方法
  • b 的影响'>8.2.2 无机组分对薄膜Eb的影响
  • b 的影响'>8.2.3 溶胶加入方法对薄膜Eb的影响
  • b 的影响'>8.2.4 无机组分含量对薄膜Eb的影响
  • b 的影响'>8.2.5 无机组分重量比对薄膜Eb的影响
  • b 的影响'>8.2.6 偶联剂对薄膜Eb的影响
  • b 的影响'>8.2.7 亚胺化工艺对薄膜Eb的影响
  • 8.3 耐电晕性
  • 8.3.1 耐电晕性能测试方法
  • 8.3.2 超声-机械共混法制备薄膜的耐电晕性
  • 8.3.3 溶胶-凝胶法制备薄膜的耐电晕性
  • 8.3.4 建立模型说明薄膜结构对耐电晕性能的影响
  • 8.4 介电性能
  • 8.4.1 介电性能测试方法
  • 8.4.2 无机组分对薄膜ε和tanδ的影响
  • 8.4.3 溶胶加入方法对薄膜ε和tanδ的影响
  • 8.4.4 无机含量对薄膜ε和tanδ的影响
  • 8.4.5 无机组分重量比对薄膜ε和tanδ的影响
  • 8.4.6 偶联剂对薄膜ε和tanδ的影响
  • 8.4.7 亚胺化工艺对薄膜ε和tanδ的影响
  • 8.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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