離子交換法制備聚酰亞胺-氧化鋁復(fù)合薄膜及電暈老化機理.pdf

1、聚酰亞胺是性能優(yōu)異的高分子材料之一，因其卓越的性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子和通訊等高技術(shù)領(lǐng)域。但是隨著科學(xué)發(fā)展對材料要求的進一步提高，純聚酰亞胺已不能滿足特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，需要對純聚酰亞胺進行改性和功能化。利用無機納米粒子與聚酰亞胺材料進行復(fù)合是實現(xiàn)聚酰亞胺材料功能化的一個熱點研究方向，在許多領(lǐng)域進一步拓展了聚酰亞胺的潛在應(yīng)用。近年來，利用表面改性離子交換法制備聚酰亞胺復(fù)合材料越來越受到重視，該方法使用堿液對聚酰亞胺表面進行處理，使聚

2、酰亞胺表面發(fā)生水解開環(huán)形成聚酰胺酸鹽，然后通過離子交換引入需要的金屬離子，最后重新亞胺化來制備聚酰亞胺復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的制備方法相比，該方法大大簡化了復(fù)合薄膜的制備工藝；制備的復(fù)合材料可以維持基體的優(yōu)異性能；而且整個制備流程實現(xiàn)了環(huán)境友好，沒有產(chǎn)生額外的污染物。因此該方法在制備聚酰亞胺復(fù)合材料方面有很好的發(fā)展前景。
　　以均苯四甲酸二酐/二氨基二苯醚聚酰亞胺薄膜為基體，利用氫氧化鉀溶液對薄膜進行不同時間(30 min到150 mi

3、n)的水解處理，研究了水解時間對聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌以及力學(xué)性能的影響。實驗結(jié)果表明，隨著水解時間的增加，薄膜的厚度出現(xiàn)了明顯增加；X射線衍射圖譜分析表明水解降低了薄膜的有序度；紅外圖譜顯示聚酰亞胺分子發(fā)生了酰亞胺鍵的開環(huán)反應(yīng)生成了酰胺鍵和羧酸鍵，在重新亞胺化之后，酰胺鍵和羧酸鍵又重新閉環(huán)生成了聚酰亞胺；薄膜的力學(xué)性能測試結(jié)果表明水解處理降低了薄膜的楊氏模量，并且60 min內(nèi)水解處理后薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率都增加了，而超過6

4、0 min的水解處理會使薄膜的力學(xué)性能下降。
　　以氯化鋁溶液作為Al3+源，與不同水解時間處理后的聚酰亞胺薄膜進行離子交換反應(yīng)，并經(jīng)熱亞胺化處理制備了表面包覆氧化鋁的聚酰亞胺復(fù)合薄膜，分別對這一系列復(fù)合薄膜的微觀形貌、熱穩(wěn)定性以及電性能進行了表征和測試。X射線光電子能譜分析表明，薄膜表面形成物質(zhì)為氧化鋁，且離子交換過程進行得較為完全，未檢測出鉀元素。透射電鏡結(jié)果表明，復(fù)合薄膜中氧化鋁分布在薄膜表層一定的厚度內(nèi)，復(fù)合層和基體間存在

5、清晰的界面；隨著水解時間的延長，薄膜中氧化鋁含量持續(xù)增加。性能測試及分析結(jié)果表明，復(fù)合薄膜的熱穩(wěn)定性均好于原始純膜。復(fù)合薄膜在保持純膜優(yōu)異的擊穿場強性能的同時，其熱穩(wěn)定性和耐電暈性與純膜相比均出現(xiàn)了不同程度的提高。經(jīng)90 min水解處理后的復(fù)合薄膜的耐電暈時間最長，達到了101.2 min，比純膜的耐電暈時間9.8 min提高了10倍。
　　采用掃描電鏡研究對比了純膜和復(fù)合薄膜在電暈放電下隨著時間的延長表面形貌的變化和電暈擊穿點的

6、形貌，并總結(jié)了純膜和復(fù)合薄膜老化擊穿位置發(fā)生的規(guī)律。結(jié)果表明在電暈老化過程中，純膜表面在短時間內(nèi)就會因電暈放電破壞而被擊穿，其表面形貌發(fā)生了巨大變化；相比之下，復(fù)合薄膜表面的破壞程度要小很多；純膜擊穿孔呈現(xiàn)規(guī)則的圓形孔，擊穿孔邊緣平滑并有熱損傷的痕跡，擊穿的位置發(fā)生在易積聚熱量的中心區(qū)域；復(fù)合薄膜的擊穿孔呈現(xiàn)不規(guī)則的橢圓形，擊穿孔邊緣有撕裂現(xiàn)象，擊穿的位置發(fā)生在電暈破壞的區(qū)域。通過對其電暈擊穿過程的分析表明，一方面氧化鋁的引入提高了薄膜

7、表面抵抗電暈破壞的能力，另一方面由于氧化鋁具有良好的導(dǎo)熱能力可以加快熱量的散失，減小了薄膜發(fā)生熱擊穿的可能性，從而提高了薄膜的耐電暈壽命。
　　在上述實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Coats-Redfern法對聚酰亞胺薄膜進行熱老化降解動力學(xué)分析，計算出純膜和復(fù)合薄膜的熱降解活化能分別為265.80 kJ/mol和231.13 kJ/mol。同時根據(jù)聚酰亞胺薄膜在電暈放電下的降解過程，對聚酰亞胺薄膜的電暈降解動力學(xué)進行建模分析，純膜和復(fù)合