PCPI复合膜的制备及性能研究
PCPI复合膜的制备及性能研究[20200412230051]
摘 要
聚酰亚胺是目前240级以上耐高温漆包线漆的主要成膜物质。但聚酰亚胺漆包线在高温快速固化时，存在固化不彻底、漆膜不均匀的现象，使其应用受到限制。
本课题采用溶液共混法制备了PC/PI复合膜和PC/PI复合膜漆包线。研究了溶液共混法和热亚胺化的最佳工艺条件；评价了PC/聚酰胺酸的储存稳定性；对PC/PI复合膜和PC/PI复合膜漆包线进行FIR、TGA、SEM、力学性能和耐电压性能等研究。结果表明：PC/聚酰胺酸混合溶液室温密封储存，储存稳定期大于60天；PC/PI热亚胺化较完全；PC/PI耐热性优异，热分解温度达600℃；PC含量为6%时，PC/PI复合膜的拉伸强度达到最大值103MPa，PC/PI复合膜的击穿电压达到4.33Kv；PC/PI复合膜中，PC相以颗粒状均匀地分散在PI相中，形成较好的相界面作用。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:共混改性聚酰亚胺复合膜力学性能
目 录
1 绪论 1
1.1 聚酰亚胺(PI)简介 1
1.1.1 聚酰亚胺的合成方法 1
1.1.2 聚酰亚胺的性能 2
1.1.3 聚酰亚胺的应用 3
1.2 PI改性的研究进展及发展趋势 3
1.2.1 新型聚酰亚胺开发及聚酰亚胺合金 4
1.2.2 无机纳米粒子杂化改性聚酰亚胺 5
1.2.3 热固性树脂改性聚酰亚胺 7
1.2.4 热塑性树脂改性聚酰亚胺 8
1.2.5 发展趋势 8
1.3 本文选题与研究内容 9
1.3.1本文选题 9
1.3.2研究内容 10
2 实验部分 11
2.1 原料与试剂 11
2.2 仪器与设备 11
2.3 实验原理与方法 11
2.3.1 两步法制备聚酰亚胺原理 11
2.3.2 聚酰胺酸溶液的制备 11
2.3.3 PC树脂溶液制备及其与聚酰胺酸溶液的复合 12
2.3.4 PC/聚酰胺酸混合溶液的稳定性评价方法 13
2.3.5 PC/PI复合膜的制备 13
2.3.6 PC/PI复合膜TGA表征 14
2.3.7 PC/PI复合膜红外光谱表征 14
2.3.9 PC/PI复合膜漆包线耐电压性能测试 14
2.3.10 PC/PI复合膜电镜扫描分析 14
3 结果与讨论 15
3.1工艺因素对聚酰胺酸及聚酰亚胺杂化薄膜的影响 16
3.1.1 原料配比的影响 16
3.1.2 反应温度对聚酰胺酸粘度的影响 16
3.1.3 热亚胺化过程中的影响因素分析 17
3.2 PC/PI混合溶液的稳定性评价 17
3.3 PC/PI复合膜TGA表征 19
3.4 PC/PI复合膜的红外光谱表征 19
3.5 PC/PI复合膜力学性能分析 21
3.6 PC/PI复合膜扫描电镜分析 22
3.7 PC/PI复合膜漆包线耐电压性能测试 23
4 结论 26
参考文献 27
致 谢 29
1 绪论
1.1 聚酰亚胺(PI)简介
聚酰亚胺（PI）是主链上含有酰亚胺环的一类高聚物，其中最重要的是含有太酰亚胺结构。根据历年统计结果表明，在已经工业化的芳杂环聚合物中，聚酰亚胺占有绝对的优势地位。它的一般结构式是：
PI主要分为芳香族和脂肪族两大类，脂肪族的聚酰亚胺实用性比较差 ，实际应用多的是芳香型聚酰亚胺，这一类聚合物具有优良的耐热性、较高机械性能、电性能和耐溶剂性等。但是它的缺点是高温下容易发生交联，从而形成不溶不熔的薄膜，加工成型很困难，成本较高等。随着市场对PI需求量的不断增加，对它的性能要求越来越高，通过组成对其结构的改造，采用共聚，共混的方法改性，可以优化PI的各项性能。
采用均苯四甲酸二酐（PMDA）和4，4-二氨基二苯醚（ODA）反应，形成聚酰胺酸溶液，然后在玻璃片上涂覆烘烤，通过不同的亚胺化工艺方法制备聚酰亚胺绝缘漆薄膜。通过红外光谱图中的725cm特征波数对均苯型聚酰亚胺绝缘漆在不同类型亚胺化工艺条件下亚胺化率进行计算，研究结果表明300℃的条件下该绝缘漆可完成亚胺化，亚胺化程度越高，该绝缘漆的电气绝缘性与机械性能越好[1]。
1.1.1 聚酰亚胺的合成方法
PI的品种繁多，合成的途径众多，这样就可以根据应用目的不同来进行选择。但是通常情况下，它的合成方法分为两个大类：一是在聚合过程中，或者是在大分子的反应过程中合成酰亚胺环；二是在已含有酰亚胺环的单体基础上进行下一步聚合而得到聚酰亚胺。
实验中通常用二酐和二胺反应得到聚酰亚胺，二酐和二胺与其他合成杂环聚合物的单体比较，来源广，合成容易。采用这类单体合成可分为一步法和两步法。
（一）一步合成法
一步法是将上述这两种单体在较高沸点溶剂中加热到一定的温度而得到聚酰亚胺，这种方法的反应条件与热处理相比较要温和得多，但关键要选择合适的溶剂，通常用的是酚类溶剂[2]，这类溶剂能够溶解较多的聚酰亚胺和相对分子质量较高的聚合物。
（二）两步合成法
两步法是先将二酐和二胺这两种单体在非质子溶剂中反应获得聚酰胺酸溶液，如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等溶剂。为了获得具有较高粘度的的聚酰胺酸溶液，所以在反应前一定要将体系中的水分除干，并且避免二酐与空气中的水分接触，最好使用新鲜的二酐[3]。然后对聚酰胺酸溶液进行后处理，如涂膜、纺丝等除去溶剂从而得到聚酰亚胺制品。
1.1.2 聚酰亚胺的性能
聚酰亚胺之所以能应用的如此广泛，就是因为它具有优良的综合性能，可以通过较多途径合成获得，加工方法多样[4-6]。
（1）机械性能优良。均苯型的聚酰亚胺的抗张性能可以达到250Mpa以上，而没有经过填充改性的塑料强度一般都只能在100Mpa以上。由共聚纺丝得到的聚酰亚胺纤维抗拉强度能够达到5.1-6.4Gpa，弹性模量在220-340Gpa。
（2）热稳定性好。由热重分析得到，聚酰亚胺开始分解时的温度一般在500℃左右。由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度可以达到600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一[7]。
（3）极耐低温。在热力学温度4K的液态氦中不会脆裂。
（4）热膨胀系数低。它的膨胀系数在2×10-5－3×10-5/℃，个别品种能够达10-7/℃。
（5）良好的耐酸性能。针对聚酰亚胺这一性能特点，利用碱性水解来回收原料。但是聚酰亚胺也与其他芳香族聚合物一样，不耐浓硫酸等强酸溶剂。
（6）优良的耐辐照性能。由聚酰亚胺制得的薄膜吸收剂量达5×107Gy时强度任然可以保持86%。
（7）介电性能好。通常芳香族聚酰亚胺的相对介电常数为3.4左右，但是引入氟、大的侧基，它的介电常数可以降到2.5左右，介电损耗为10-3，体积电阻率为1017欧姆*cm，性能在较广的温度范围和频率范围内仍能保持相对较高的水平[8]。
聚酰亚胺还具有其他良好的性能，比如自熄性，发烟率低，无毒等。
1.1.3 聚酰亚胺的应用
聚酰亚胺因为具有以上优良的性能，并且合成途径广泛，加工性好，所以在很多领域被广泛的应用，而且比较突出。主要有如下广泛用途：
(1)薄膜。它是聚酰亚胺（PI）最早的应用方面之一，用于电线、电缆等的绝缘涂层，绕包材料，主要有杜邦的Kapton等。透明的PI薄膜可以用作太阳能电池的底板。
(2)复合材料。用于航空领域，常作零部件，在高温380℃下可以应用很长的时间，短时间内甚至可以经受更高的温度考验。
（3)纤维。聚酰亚胺纤维是先进复合材料的增强剂，它的弹性模量仅仅次于碳纤维。
（4）光刻胶。可以使用水显影液，分辨率能够达到微米级别。与颜料配合使用，可以很大程度上简化加工工序[10]。
摘 要
聚酰亚胺是目前240级以上耐高温漆包线漆的主要成膜物质。但聚酰亚胺漆包线在高温快速固化时，存在固化不彻底、漆膜不均匀的现象，使其应用受到限制。
本课题采用溶液共混法制备了PC/PI复合膜和PC/PI复合膜漆包线。研究了溶液共混法和热亚胺化的最佳工艺条件；评价了PC/聚酰胺酸的储存稳定性；对PC/PI复合膜和PC/PI复合膜漆包线进行FIR、TGA、SEM、力学性能和耐电压性能等研究。结果表明：PC/聚酰胺酸混合溶液室温密封储存，储存稳定期大于60天；PC/PI热亚胺化较完全；PC/PI耐热性优异，热分解温度达600℃；PC含量为6%时，PC/PI复合膜的拉伸强度达到最大值103MPa，PC/PI复合膜的击穿电压达到4.33Kv；PC/PI复合膜中，PC相以颗粒状均匀地分散在PI相中，形成较好的相界面作用。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:共混改性聚酰亚胺复合膜力学性能
目 录
1 绪论 1
1.1 聚酰亚胺(PI)简介 1
1.1.1 聚酰亚胺的合成方法 1
1.1.2 聚酰亚胺的性能 2
1.1.3 聚酰亚胺的应用 3
1.2 PI改性的研究进展及发展趋势 3
1.2.1 新型聚酰亚胺开发及聚酰亚胺合金 4
1.2.2 无机纳米粒子杂化改性聚酰亚胺 5
1.2.3 热固性树脂改性聚酰亚胺 7
1.2.4 热塑性树脂改性聚酰亚胺 8
1.2.5 发展趋势 8
1.3 本文选题与研究内容 9
1.3.1本文选题 9
1.3.2研究内容 10
2 实验部分 11
2.1 原料与试剂 11
2.2 仪器与设备 11
2.3 实验原理与方法 11
2.3.1 两步法制备聚酰亚胺原理 11
2.3.2 聚酰胺酸溶液的制备 11
2.3.3 PC树脂溶液制备及其与聚酰胺酸溶液的复合 12
2.3.4 PC/聚酰胺酸混合溶液的稳定性评价方法 13
2.3.5 PC/PI复合膜的制备 13
2.3.6 PC/PI复合膜TGA表征 14
2.3.7 PC/PI复合膜红外光谱表征 14
2.3.9 PC/PI复合膜漆包线耐电压性能测试 14
2.3.10 PC/PI复合膜电镜扫描分析 14
3 结果与讨论 15
3.1工艺因素对聚酰胺酸及聚酰亚胺杂化薄膜的影响 16
3.1.1 原料配比的影响 16
3.1.2 反应温度对聚酰胺酸粘度的影响 16
3.1.3 热亚胺化过程中的影响因素分析 17
3.2 PC/PI混合溶液的稳定性评价 17
3.3 PC/PI复合膜TGA表征 19
3.4 PC/PI复合膜的红外光谱表征 19
3.5 PC/PI复合膜力学性能分析 21
3.6 PC/PI复合膜扫描电镜分析 22
3.7 PC/PI复合膜漆包线耐电压性能测试 23
4 结论 26
参考文献 27
致 谢 29
1 绪论
1.1 聚酰亚胺(PI)简介
聚酰亚胺（PI）是主链上含有酰亚胺环的一类高聚物，其中最重要的是含有太酰亚胺结构。根据历年统计结果表明，在已经工业化的芳杂环聚合物中，聚酰亚胺占有绝对的优势地位。它的一般结构式是：
PI主要分为芳香族和脂肪族两大类，脂肪族的聚酰亚胺实用性比较差 ，实际应用多的是芳香型聚酰亚胺，这一类聚合物具有优良的耐热性、较高机械性能、电性能和耐溶剂性等。但是它的缺点是高温下容易发生交联，从而形成不溶不熔的薄膜，加工成型很困难，成本较高等。随着市场对PI需求量的不断增加，对它的性能要求越来越高，通过组成对其结构的改造，采用共聚，共混的方法改性，可以优化PI的各项性能。
采用均苯四甲酸二酐（PMDA）和4，4-二氨基二苯醚（ODA）反应，形成聚酰胺酸溶液，然后在玻璃片上涂覆烘烤，通过不同的亚胺化工艺方法制备聚酰亚胺绝缘漆薄膜。通过红外光谱图中的725cm特征波数对均苯型聚酰亚胺绝缘漆在不同类型亚胺化工艺条件下亚胺化率进行计算，研究结果表明300℃的条件下该绝缘漆可完成亚胺化，亚胺化程度越高，该绝缘漆的电气绝缘性与机械性能越好[1]。
1.1.1 聚酰亚胺的合成方法
PI的品种繁多，合成的途径众多，这样就可以根据应用目的不同来进行选择。但是通常情况下，它的合成方法分为两个大类：一是在聚合过程中，或者是在大分子的反应过程中合成酰亚胺环；二是在已含有酰亚胺环的单体基础上进行下一步聚合而得到聚酰亚胺。
实验中通常用二酐和二胺反应得到聚酰亚胺，二酐和二胺与其他合成杂环聚合物的单体比较，来源广，合成容易。采用这类单体合成可分为一步法和两步法。
（一）一步合成法
一步法是将上述这两种单体在较高沸点溶剂中加热到一定的温度而得到聚酰亚胺，这种方法的反应条件与热处理相比较要温和得多，但关键要选择合适的溶剂，通常用的是酚类溶剂[2]，这类溶剂能够溶解较多的聚酰亚胺和相对分子质量较高的聚合物。
（二）两步合成法
两步法是先将二酐和二胺这两种单体在非质子溶剂中反应获得聚酰胺酸溶液，如N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等溶剂。为了获得具有较高粘度的的聚酰胺酸溶液，所以在反应前一定要将体系中的水分除干，并且避免二酐与空气中的水分接触，最好使用新鲜的二酐[3]。然后对聚酰胺酸溶液进行后处理，如涂膜、纺丝等除去溶剂从而得到聚酰亚胺制品。
1.1.2 聚酰亚胺的性能
聚酰亚胺之所以能应用的如此广泛，就是因为它具有优良的综合性能，可以通过较多途径合成获得，加工方法多样[4-6]。
（1）机械性能优良。均苯型的聚酰亚胺的抗张性能可以达到250Mpa以上，而没有经过填充改性的塑料强度一般都只能在100Mpa以上。由共聚纺丝得到的聚酰亚胺纤维抗拉强度能够达到5.1-6.4Gpa，弹性模量在220-340Gpa。
（2）热稳定性好。由热重分析得到，聚酰亚胺开始分解时的温度一般在500℃左右。由联苯四甲酸二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度可以达到600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一[7]。
（3）极耐低温。在热力学温度4K的液态氦中不会脆裂。
（4）热膨胀系数低。它的膨胀系数在2×10-5－3×10-5/℃，个别品种能够达10-7/℃。
（5）良好的耐酸性能。针对聚酰亚胺这一性能特点，利用碱性水解来回收原料。但是聚酰亚胺也与其他芳香族聚合物一样，不耐浓硫酸等强酸溶剂。
（6）优良的耐辐照性能。由聚酰亚胺制得的薄膜吸收剂量达5×107Gy时强度任然可以保持86%。
（7）介电性能好。通常芳香族聚酰亚胺的相对介电常数为3.4左右，但是引入氟、大的侧基，它的介电常数可以降到2.5左右，介电损耗为10-3，体积电阻率为1017欧姆*cm，性能在较广的温度范围和频率范围内仍能保持相对较高的水平[8]。
聚酰亚胺还具有其他良好的性能，比如自熄性，发烟率低，无毒等。
1.1.3 聚酰亚胺的应用
聚酰亚胺因为具有以上优良的性能，并且合成途径广泛，加工性好，所以在很多领域被广泛的应用，而且比较突出。主要有如下广泛用途：
(1)薄膜。它是聚酰亚胺（PI）最早的应用方面之一，用于电线、电缆等的绝缘涂层，绕包材料，主要有杜邦的Kapton等。透明的PI薄膜可以用作太阳能电池的底板。
(2)复合材料。用于航空领域，常作零部件，在高温380℃下可以应用很长的时间，短时间内甚至可以经受更高的温度考验。
（3)纤维。聚酰亚胺纤维是先进复合材料的增强剂，它的弹性模量仅仅次于碳纤维。
（4）光刻胶。可以使用水显影液，分辨率能够达到微米级别。与颜料配合使用，可以很大程度上简化加工工序[10]。
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