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(jī)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(duì)材料要求的進(jìn)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(duì)純聚酰亞胺進(jìn)行改性和功能化。利用無(wú)機(jī)納米粒子與聚酰亞胺材料進(jìn)行復(fù)合是實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺材料功能化的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，在許多領(lǐng)域進(jìn)一步拓展了聚酰亞胺的潛在應(yīng)用。近年來(lái)，利用表面改性離子交換法制備聚酰亞胺復(fù)合材料越來(lái)越受到重視，該方法使用堿液對(duì)聚酰亞胺表面進(jìn)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(lái)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(jiǎn)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(gè)制備流程實(shí)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(duì)薄膜進(jìn)行不同時(shí)間(30 min到150 mi

3、n)的水解處理，研究了水解時(shí)間對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水解時(shí)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(cè)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(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都增加了，而超過6

4、0 min的水解處理會(huì)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(shí)間處理后的聚酰亞胺薄膜進(jìn)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(duì)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(jìn)行了表征和測(cè)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(jìn)行得較為完全，未檢測(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)，薄膜中氧化鋁含量持續(xù)增加。性能測(cè)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(chǎng)強(qiáng)性能的同時(shí)，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(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到了101.2 min，比純膜的耐電暈時(shí)間9.8 min提高了10倍。
　　采用掃描電鏡研究對(duì)比了純膜和復(fù)合薄膜在電暈放電下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)表面形貌的變化和電暈擊穿點(diǎn)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(shí)間內(nèi)就會(huì)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Coats-Redfern法對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行熱老化降解動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)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(shí)根據(jù)聚酰亞胺薄膜在電暈放電下的降解過程，對(duì)聚酰亞胺薄膜的電暈降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模分析，純膜和復(fù)合