聚酰亚胺/多壁碳纳米管复合薄膜的制备与电性能研究

摘要

聚酰亚胺(PI)薄膜主要用于电工绝缘材料。随着科技水平的提高，对制造电气设备的绝缘材料的要求日趋高性能化、多功能化。国内外学者一直致力于聚酰亚胺薄膜的改性研究。相比其它无机纳米粒子而言，碳纳米管(MWNTs)具有长径比大和导电两个显著特点，大长径比可以减少无机纳米组分给基体带来的力学性能劣化，高电导率可有效的分散电荷从而避免变频电气设备用PI薄膜在使用过程出现的电晕击穿，所以我们采用MWNTs对PI薄膜进行改性，旨在提高其耐电晕性同时通过抑制MWNTs在基体树脂中形成导电网络，使改性后的PI杂化薄膜仍符合电工绝缘材料对其介电性能的要求。探究PI/MWNTs杂化薄膜微结构对其电性能影响规律及机理。
　　 本文首先对MWNTs进行纯化和表面功能化处理，然后在MWNTs均匀分散的溶剂中原位聚合生成均苯型PI薄膜的前体PAA，再经热亚胺化制备电工绝缘用PI薄膜。
　　 利用扫描电子显微镜(SEM)表征了功能化前后多壁碳纳米管在溶剂中的分散性及复合薄膜的表面和断面形貌。利用红外光谱对功能化前后多壁碳纳米管表面的基团变化情况进行了表征，并采用高阻计、耐电晕测试装置、耐压测试仪和介电谱仪对薄膜的电性能进行了表征。结果表明：纯化及功能化处理提高了多壁碳纳米管在水中及PI基体中的分散性，薄膜的体积电阻率随着MWNTs含量的增加而下降，当掺杂量为11.598wt％时，薄膜的体积电阻率骤降到1.96×108Ω·m，多壁碳纳米管的半导电网络初步形成，介电常数和介电损耗均随MWNTs含量（小于1wt％）的增加而增加，介电常数、介电损耗在低频区均会经历一个先减少后增大的过程。总体来看，介电常数随频率升高而降低，介电损耗随频率升高而增加，但在中低频区域增加较为缓慢，高频区增加较快。击穿场强随MWNTs含量提高呈下降趋势，掺杂量0.6wt％以下时下降幅度较小，随着掺杂量继续提高，击穿场强下降明显，当MWNTs含量超过2.9wt％，试验在电压施加的瞬间就停止了，薄膜表面无击穿损伤的痕迹，说明材料并未发生击穿现象，而是以导体形式直接导通。耐电晕时间在掺杂量1wt％以下时规律性不强，但不同掺杂量杂化薄膜的耐电晕时间均高于纯PI薄膜，当掺杂量达到2.9wt％时，施加电压的瞬间，上下电极直接被导通，薄膜表面未发生明显的电晕放电现象，这一结论与介电强度的测试结果相符。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 聚酰亚胺简介

1.3 碳纳米管简介

1.4 国内外研究与应用现状

1.4.1 碳纳米管改性聚合物材料电学性能研究

1.4.2 碳纳米管改性导电聚合物材料应用现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验原理

2.1.1 多壁碳纳米管酸化原理

2.1.2 两步法制备均苯型聚酰亚胺原理

2.1.3 原位聚合法制备聚合物／碳纳米管复合材料原理

2.2 实验

2.2.1 原料及预处理

2.2.2 仪器设备

2.2.3 实验步骤

2.2.4 研究手段

2.3 本章小结

第3章 PI/MWNTs薄膜的结构与电性能分析

3.1 功能化对MWNTs在水中分散性的影响

3.2 功能化前后多壁碳纳米管的红外光谱

3.3 PI/MWNTs薄膜的表面和断面形貌

3.4 PI/MWNTs薄膜的导电性

3.5 PI/MWNTs薄膜的介电性能

3.5.1 介电常数

3.5.2 介电损耗

3.6 Pl/MWNTs薄膜的介电强度

3.7 PI/MWNTs薄膜的耐电晕性能

3.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢