无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜的研究进展

无机纳米杂化聚酰亚胺复合薄膜因无机填料在聚合物基体中纳米尺度的分散以及与基体间强的化学结合而具有较常规聚酰亚胺薄膜材料更优异的力学性能、热稳定性能、高绝缘性能及耐电晕性能等.依据国内外聚酰亚胺纳米杂化薄膜材料的最新研究情况,重点综述了SiO2/Al2O3、SiO2/Ti2O3、SiO2、TiO2、Al2O3、SiC、MMT等纳米杂化聚酰亚胺薄膜的研究进展,表明其是一种性能优异、具有广泛应用前途的有机一无机纳米复合材料,但尚存在许多需进一步深入研究的问题.     

耐电晕PI/无机纳米氧化物复合薄膜设计及性能

采用热液法制备了纳米无机氧化物分散液,其中水解所需的水由醇缩水成醚反应提供.所得的MTES改性的纳米氧化铝与聚酰亚胺复合制成杂化聚酰亚胺复合薄膜(PI/Al2O3 - SiO2),另外还制备了未改性的纳米氧化铝杂化聚酰亚胺复合薄膜(PI/Al2O3),在试样厚度均为25 μm的情况下,采用双极性脉冲方波电压、峰-峰值2500V、频率20 kHz、占空比50％、测试温度155℃的条件下,分别测试上述两种薄膜以及Kapton 100 CR薄膜的耐电晕时间,结果表明,PI/Al2O3 - SiO2薄膜的耐电晕寿命最长,是Kapton 100 CR薄膜的6倍以上,是PI/Al2O3薄膜的12倍以上.由SEM的测试结果分析表明,PI/Al2O3 - SiO2薄膜中的无机纳米复合结构可以更有效地保护PI基体,从而提高材料的耐电晕性.     

无机组分改性聚酰亚胺树脂基体的制备

选取聚酰亚胺作为有机树脂基体,用SiO2、Al2O3作为无机组分,通过其前驱体甲基三乙氧基硅烷和异丙醇铝在聚酰胺酸的N,N—二甲基乙酰胺溶液中进行溶胶-凝胶(Sol_gel)反应,制备了SiO2和Al2O3改性的聚酰亚胺树脂基体,为了考察树脂的性能,将其加热亚胺化成膜,采用红外光谱仪、热重分析仪、扫描电镜等对薄膜的化学结构、热性能、表面形态和电学性能进行表征。结果表明:杂化薄膜形成了有机相包裹无机相的结构,无机微粒比较均匀地分散在聚酰亚胺树脂基体中,粒径较大,树脂热性能好,电击穿性能有一定提高。     

聚酰亚胺/氧化硅/氧化铝纳米复合薄膜的制备及性能研究

通过正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷及异丙醇铝在聚酰胺酸的N,N-二甲基乙酰胺溶液中的溶胶凝胶反应,制备了具有一定SiO2和Al2O3质量百分含量的聚酰亚胺复合薄膜。并且分别利用原子力显微镜和傅立叶变换红外光谱对薄膜进行界面形态和微观结构分析。并讨论了无机组分对薄膜的热性能和电性能的影响。结果表明,聚酰亚胺复合薄膜中的无机组分的分散性良好,与聚酰亚胺基体形成了很好的纳米复合体系,经试验研究证明了无机组分的引入大大提高了薄膜的耐局部放电学性能和耐热性能。     

改性3-氨丙基三甲氧基硅烷对聚酰亚胺/二氧化硅复合薄膜性能的影响

用正硅酸乙酯(TEOS)和改性3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMOS)作为无机前驱体,采用溶胶-凝胶法制备了聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO2)复合薄膜.采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR),扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TGA)对PI/SiO2纳米复合薄膜进行了表征,讨论了改性APTMOS的加入对PI/SiO2复合薄膜结构和耐电晕性能的影响.结果表明,改性APTMOS的加入明显降低了SiOO2粒子的团聚,并提高了PI/SiO2纳米复合薄膜的耐电晕性能.     

溶胶–凝胶法在聚酰亚胺表面沉积氧化铝薄膜及性能

采用溶胶凝胶法利用表面处理和离子交换技术,在纯聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜表面提拉制备了氧化铝(Al2O3)薄膜。利用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM),原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM),X射线衍射仪(X-ray diffractions,XRD)对薄膜进行了表征,并对表面覆盖Al2O3薄膜的PI薄膜(复合膜)的热稳定性(thermogravimentric analyses,TGA)、击穿和耐电晕性能进行分析。结果显示Al2O3薄膜在PI基体表面呈连续分布、表观平整且致密。断面显示Al2O3薄膜和PI基体有非常清晰、明显的三层结构,Al2O3薄膜的厚度约为1?m;Al2O3薄膜主要由?-AlOOH,??-AlOOH和?-AlOOH三种一水合氧化铝构成;热稳定性显示在初始升温阶段复合膜的热失重比纯膜快,后期趋向于持平;击穿测试结果表明由于复合膜中含有极性基团而比纯膜的击穿场强有所下降;耐电晕测试结果表明,复合膜的耐电晕时间由纯膜的4.4 min提高到了104.6 min,耐电晕寿命获得了极大的提升,比纯膜提高了23.8倍。     

方波脉冲下纳米氧化铝掺杂对聚酰亚胺介电性能的影响

为了研究方波条件下纳米Al2O3对PI膜介电性能的影响,将粒径为60 nm的Al2O3纳米粒子作为无机填料添加到PI基体中,制作了掺杂量质量分数为1%,2%,5%,7%,10%的PI薄膜。测量了PI/Al2O3薄膜耐电晕性能和介电温度谱以及介电频谱,并用SEM镜观察了放电前后PI/Al2O3薄膜微观形貌。研究结果表明:Al2O3纳米粒子的掺入提高了复合薄膜的耐电晕性能;PI/Al2O3复合薄膜的相对介电常数(εr)与介质损耗正切(tanδ)值随着Al2O3含量升高而升高,其tanδ值随着频率的增加先减小后增大,在200 Hz处有最小值。在同一频率下,PI/Al2O3薄膜εr和tanδ表现出对温度的依赖性,tanδ在70℃与170℃附近出现两个峰值;且随着Al2O3含量的增高,tanδ介电峰向高温方向移动。PI基体中高分子链缠结在纳米粒子周围,纳米粒子所引入的界面以及在聚合物中表现的"钉扎效应"是影响PI/Al2O3复合薄膜介电性能的主要原因。     

固体含量对聚酰亚胺/二氧化硅杂化薄膜热性能的影响

利用正硅酸乙酯(TEOS)做为无机前驱体,采用溶胶-凝胶(Sol_Gel)法,制备了SiO2含量一定,固体含量不同的聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO2)纳米杂化薄膜。采用傅立叶变换红外光谱(FT_IR)、原子力显微镜(AFM)、热重分析(TGA)等方法研究了杂化薄膜的结构与性能。AFM分析显示:SiO2粒子均匀分散在PI树脂中。随固体含量增加,SiO2粒子的平均粒径变大,有机相与无机相的界面变清晰;当固体含量为20%(质量分数)时,两相出现明显的相分离。TGA结果表明:引入一定含量的SiO2,有助于提高PI/SiO2纳米杂化薄膜的热稳定性;当固体含量高时,杂化薄膜的热稳定性下降。     

聚酰亚胺/二氧化硅/二氧化钛纳米杂化膜的制备与性能分析

利用甲基三乙氧基硅烷和钛酸四丁酯作为杂化过程中制备SiO2、TiO2的前体,采用溶胶-凝胶法制得聚酰亚胺/SiO2/TiO2杂化薄膜。SEM分析显示无机纳米粒子均匀分散在聚酰亚胺基体中,并且随着无机组分含量的增加,纳米粒子尺寸增大,当TiO2含量为1wt%、SiO2含量达到12wt%时,无机粒子尺寸达到100nm左右。TG分析结果表明引入一定量的无机纳米粒子提高了薄膜的热分解温度。     

纳米氧化铝改性聚酰亚胺薄膜的制备与研究

用溶胶-凝胶法制得纳米氧化铝溶胶,将其掺入到聚酰胺酸基体中,采用原位生成法制备了一系列不同掺杂量的PI/Al2O3复合薄膜。利用耐电晕测试装置、耐击穿测试装置、扫描电子显微镜(SEM)对薄膜进行了测试及表征。结果表明:随着掺杂量的提高耐电晕时间增大,当掺杂量为30%(质量分数)时PI薄膜的耐电晕时间为57.64 h,是未掺杂的15倍以上。随着掺杂量的提高杂化薄膜电气强度先增大后减小,但都比未掺杂的低。纳米氧化铝粒子在PI基体中分散较均匀。     

聚酰亚胺/氧化铝纳米复合材料的热刺激电流研究

采用热刺激电流（TSC）对自制的4种不同纳米Al2O3含量的聚酰亚胺（PI）薄膜进行测试,发现复合材料的热刺激电流峰值随着纳米Al2O3填充量的增加而降低,当纳米Al2O3的填充量大于10%后,热刺激电流峰的峰值随着温度升高持续一段时间后才出现下降趋势。对4种薄膜的TSC高温峰分别进行计算,得出薄膜中陷阱电荷的数量。并结合纳米复合材料的多核模型和陷阱理论,得出该现象的出现是由于PI/Al2O3纳米复合薄膜中界面结构影响了载流子输运过程造成的。     

耐电晕纳米有机硅氧化物杂化聚酰胺酰亚胺复合薄膜的制备及其介电性能

采用甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯进行水解、聚合,得到纳米有机硅氧化物溶胶,将其折算成SiO2当量,通过高速剪切与聚酰胺酰亚胺(PAI)树脂混合,经铺膜和热固化后制备得到有机硅氧化物杂化PAI复合薄膜.采用红外光谱、X射线衍射和SEM对复合薄膜进行表征,并对复合薄膜的介电谱、电气强度和高温(155℃)耐电晕寿命进行测试.结果表明:纳米有机硅氧化物在树脂基体中以无定形态均匀分散;随着纳米有机硅氧化物含量的增加,杂化PAI复合薄膜的介电常数、介质损耗因数都逐渐增大,电气强度逐渐降低,耐电晕寿命先升高后降低,当纳米有机硅氧化物质量分数为15％的SiO2当量时,其高温耐电晕寿命是纯PAI薄膜的4.1倍.     

纳米胶体二氧化硅改性聚酰亚胺薄膜的制备及性能研究

首先,通过缩聚法制备了基于均苯四甲酸二酐(PMDA)与4,4′-二氨基二苯醚(ODA)单体的聚酰胺酸(PAA),在聚合过程中加入不同质量分数的胶体SiO2/N,N-二甲基乙酰胺(DMAc),制得PAA/SiO2杂化胶液.然后将杂化胶液在洁净干燥箱中于室温～350℃进行亚胺化,制得了PI/SiO2复合薄膜.对PI/SiO2复合薄膜进行衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、动态机械分析(DMA)和热机械分析(TMA)测试,并采用阻抗分析法测试SiO2的引入对复合薄膜介电性能的影响.结果表明:成功制得了预期结构的复合薄膜,SiO2在PI基体中分布较为均匀.SiO2的引入提高了复合薄膜的耐热性和热尺寸稳定性,SiO2含量为25％的PI-25薄膜5％失重温度(T5％)和750℃时的残余质量分数分别为611℃与73％,分别较PI-0薄膜(未添加SiO2)提高了14.7℃和9.2％.在103～106 Hz频率范围内,复合薄膜表现出较为稳定的介电常数(Dk)与介质损耗因数(Df).纳米SiO2的引入略微提高了复合薄膜的Dk值,PI-25薄膜在1 MHz时的Dk值为3.58,较PI-0薄膜略有上升(Dk为3.20).     

不同组分对PI／Al2O3复合薄膜的击穿性能和微观形貌的影响

为研究纳米填加剂(Al2O3)对PI复合薄膜击穿性能和微观形貌的影响,对0、5%、10%和20%4种不同质量分数的纳米Al2O3的PI/Al2O3复合薄膜击穿特性进行了测试,并借助扫描电镜对PI/Al2O3复合薄膜击穿孔区形貌进行特征分析,进一步利用积分法计算得到了击穿孔区的有效面积.结果表明:掺杂5%含量的Al2O3的PI复合薄膜击穿场强达到最佳.得出不同组分Al2O3的PI复合薄膜击穿孔有效面积的大小关系是:S20%＜S5%＜S10%＜S0.可见,引入纳米Al2O3颗粒可以使复合薄膜击穿孔的有效面积减小,说明掺杂纳米Al2O3对复合薄膜的击穿孔的有效面积大小是有显著影响的.     

聚酰亚胺/纳米Al2O3复合薄膜的介电性能

为了提高聚酰亚胺(PI)的耐电晕性能,采用原位分散聚合法制备了聚酰亚胺/纳米Al2O3复合材料,并采用透射电子显微镜(TEM)对纳米Al2O3的分散状态进行了表征。研究了纳米Al2O3填加量对该复合材料耐电晕性能和其它介电性能的影响,结果表明,随着纳米Al2O3含量的增加,材料的耐电晕性能显著增强,在±910V(双极性)、15kHz条件下,纳米Al2O3质量分数为20%的PI薄膜的耐电晕寿命达到极大值,为纯PI薄膜寿命的25倍,聚酰亚胺/纳米Al2O3复合材料的体积电阻率和击穿场强没有明显的劣化,而相对介电常数和损耗角正切有所增加。     

偶联剂GPTMOS对PI/SiO2杂化薄膜微观结构的影响

以3-缩水甘油丙基醚三甲氧基硅烷(GPTMOS)为偶联剂,采用溶胶-凝胶法制备了3种不同偶联剂用量的PI/SiO2杂化薄膜,并采用红外光谱、扫描电子显微镜表征了PI/SiO2杂化薄膜的化学结构和微观结构。结果表明:偶联剂GPTMOS的加入能有效减小SiO2粒子的粒径,且能生成更加紧密的SiO2网络结构;随着偶联剂用量的增加,SiO2粒子的粒径逐渐变小。     

溶剂对聚酰亚胺/二氧化硅纳米杂化薄膜微观形貌影响

以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc),DMAc/二甲苯为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了溶剂不同的两种聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO2)杂化薄膜,并采用傅立叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜表征了PI/SiO2纳米杂化薄膜的化学结构和微观形貌.研究结果表明:本实验工艺路线能成功制备出PI/SiO2纳米级杂化薄膜;与用DMAc溶剂相比,采用DMAc/二甲苯为溶剂时,团聚的SiO2粒子变少,粒子粒径变小,粒径分布变广,两相界面变模糊.     

纳米Al2O3在有机溶剂中的机械力化学改性

研究了纳米Al2O3在极性有机溶剂分散过程中,机械力化学效应对纳米Al2O3在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散稳定性的影响,采用FTIR、TGA、XRD和XPS对砂磨前后的纳米Al2O3进行了分析。结果表明:纳米Al2O3粒子在砂磨后其结晶度降低了24%,对NMP的吸附量增加了4倍,在其表面形成了稳定的、一定厚度的溶剂化层,提高了纳米粒子在NMP中的分散稳定性。     

影响聚酰亚胺/二氧化硅纳米杂化薄膜聚集态结构的因素

以正硅酸乙酯(TEOS)为无机前驱体,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)路线制备了聚酰亚胺/二氧化硅(PI/SiO2)纳米杂化薄膜。利用傅立叶变换红外光谱(FT-IR),扫描电子显微镜(SEM)等手段表征了PI/SiO2的杂化薄膜的化学结构和微观形貌,讨论了硅烷偶联剂和加入的水量对PI/SiO2纳米杂化薄膜聚集态结构的影响。研究结果表明,偶联剂的加入提高了有机相与无机相的相容性。加入不同的水量对PI/SiO2杂化薄膜聚集态结构产生不同的影响。当TEOS与加入的水量摩尔比为1∶6时,团聚的SiO2粒子的平均尺寸小于20 nm,有机相与无机相无明显界面。     

CoFe2O4/TiO2纳米复合薄膜的制备与磁性

以钛酸丁酯和金属盐酸盐为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了磁性CoFe2O4/TiO2复合薄膜.通过综合热分析(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、偏光显微镜(PLM)观测了复合薄膜的相结构和表面形貌,探讨了薄膜的合成机理,采用振动样品磁场计测量样品的磁性.研究发现,溶胶-凝胶法制得的复合薄膜中,随着热处理温度的升高,两相组分晶体各自析出长大,CoFe2O4均匀地分布在TiO2网状基体中.样品经800℃退火后得到了平整的CoFe2O4/TiO2磁性复合薄膜,晶粒平均粒径大约为19nm.随着热处理温度的升高,复合薄膜的磁性增强.