异氰酸酯基聚酰亚胺薄膜制备及力学与电性能研究

摘要

聚酰亚胺(PI)薄膜有着优异的力学性能、卓越的耐高低温性、良好的介电性能以及优良的耐化学腐蚀性而被广泛应用于航空航天、电子电工绝缘、微电子以及太阳能电池和锂电池等一些新兴领域。传统芳香聚酰亚胺产品不溶不熔，加工性能差，且价格昂贵。而采用芳香多元异氰酸酯为原料制备PI的“一步法”制备技术工艺简单、能耗低、原材料价格低廉，具有广阔的应用前景。目前，基于以异氰酸酯为原料制备PI薄膜的研究较少且得到的PI薄膜产品性能较差这一系列问题，本文就提高和改善异氰酸酯基PI薄膜力学和电性能入手，首先探索“一步法”异氰酸酯基PI制备的最佳工艺，然后通过掺杂力学性能和电性能优异的石墨烯(GE)填料，研究其对复合薄膜力学和电性能的影响。并进一步结合传统以芳香二胺和二酐为原料的制备技术，从提升纯PI薄膜自身的性能出发，得到高性能异氰酸酯基PI薄膜产品。本论文主要研究内容具体如下:
　　1.以二苯甲烷二异氰酸酯(MDI-50，50-54％2，4'-MDI，46-50％4，4'-MDI)和4，4'-氧双邻苯二甲酸酐(ODPA)为主要聚合单体，采用“一步法”溶液共缩聚反应制备异氰酸酯基PI产品。通过傅里叶红外光谱监测聚合反应体系中单体含量的变化情况，进而监控反应进程以及聚合最终的耗时。通过树脂检测粘度计测试聚合液粘度的大小，进而对比分析聚合物分子量的高低。通过研究聚合温度、反应体系单体浓度、加料方式对聚合反应的影响，确定了最优的聚合温度为95℃、最优的单体浓度为30wt％、最佳的加料方式为分批加料，且MDI-50单体的滴加时长为3h为宜。此外，以NMP为溶剂体系制备得到的PI薄膜颜色呈典型的黄棕色，力学性能和结晶度都略高于以DMF和DMAc为溶剂体系的PI薄膜。
　　2.研究了石墨烯(GE)对异氰酸酯基PI薄膜的抗静电性能和力学性能的提升效果，通过调控GE的添加量，制备得到一系列PI/GE复合薄膜。通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)分析发现GE的加入对PI分子结构无明显影响;体积表面电阻率测试结果显示随着GE添加量的增大，PI/GE复合薄膜的电阻率逐步降低。1wt％GE添加量的PI/GE复合薄膜的介电常数为:4.808，抗静电积聚性能得到明显的改善。0.7wt％GE添加量对复合薄膜力学性能提升最大，达到了103.12MPa，比未经GE改性的纯PI-neat薄膜样品拉伸强度提升了73.95％;XRD分析表明GE对PI复合薄膜的结晶度几乎无影响，复合薄膜为无定型态;SEM表明少量GE在PI基体中分散良好，复合薄膜力学性能得到提升。
　　3.采用MDI-50和ODPA制备得到酸酐封端的PI低聚物，然后采用4，4'-二氨基二苯醚(ODA)作为“改性剂”，将酸酐封端的PI低聚物连接起来，并通过进一步的酰亚胺化得到大分子链的异氰酸酯基PI产品，并流延成膜。结果表明:少量ODA即可明显增强PI薄膜产品的各项性能，PI薄膜的力学性能、介电性能、耐热性等相比于未经ODA改性的异氰酸酯基PI明显提高，拉伸强度最大可达108.87MPa，5％时的失重温度可达524℃。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1聚酰亚胺简介

1．1．1聚酰亚胺的结构与性质

1．1．2聚酰亚胺的合成方法

1．1．3聚酰亚胺的应用

1．2异氰酸酯基聚酰亚胺简介

1．2．1异氰酸酯基聚酰亚胺国内外研究现状

1．2．2异氰酸酯基聚酰亚胺发展趋势

1．3聚酰亚胺薄膜简介

1．3．1聚酰亚胺薄膜发展历程

1．3．2聚酰亚胺薄膜的应用

1．3．3聚酰亚胺薄膜的制备方法

1．4石墨烯简介

1．4．1石墨烯的发现及定义

1．4．2石墨烯的性能

1．4．3石墨烯的应用

1．5石墨烯／聚酰亚胺复合薄膜材料简介

1．5．1石墨烯／聚酰亚胺复合薄膜材料的研究现状

1．5．2石墨烯／聚酰亚胺复合薄膜材料的制备方法

1．6本论文的选题意义和研究内容

1．6．1选题意义

1．6．2研究内容

第2章实验材料及测试方法

2．1实验材料

2．2实验仪器及设备

2．3分析测试方法

2．3．1粘度的检测方法

2．3．2傅里叶变换红外光谱仪

2．3．3傅里叶变换全反射红外光谱仪

2．3．4热失重分析

2．3．5差示扫描量热分析

2．3．6力学性能测试

2．3．7扫描电子显微镜

2．3．8广角XRD测试

2．3．9介电常数和介电损耗测试

2．4本章小结

第3章异氰酸酯基聚酰亚胺及其薄膜制备工艺研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1反应机理

3．2．2实验步骤及装置

3．3结果与分析

3．3．1反应温度对聚酰亚胺合成反应的影响

3．3．2单体浓度对聚酰亚胺合成反应的影响

3．3．3加料方式对聚酰亚胺合成反应的影响

3．3．4溶剂对聚酰亚胺合成及薄膜性能的影响

3．4本章小结

第4章石墨烯／异氰酸酯基聚酰亚胺薄膜材料的制备及性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1石墨烯／异氰酸酯基PI溶液的制备

4．2．2石墨烯／异氰酸酯基PI薄膜的制备

4．3结构表征与性能分析

4．3．1傅里叶红外光谱分析

4．3．2力学性能分析

4．3．3电性能分析

4．3．4 SEM分析

4．3．5 XRD分析

4．4本章小结

第5章4，4’-ODA为“改性剂’’制备异氰酸酯基聚酰亚胺薄膜及性能表征

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1 PAMPI前驱体树脂制备

5．2．2 PI薄膜制备

5．3分析与讨论

5．3．1傅里叶红外光谱分析

5．3．2电学性能分析

5．3．3热性能分析

5．3．4力学性能分析

5．3．5 SEM分析

5．3．6 XRD图谱分析

5．3．7溶解性分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢