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10 聚酰亚胺/二氧化钛复合薄膜的制备及性能研究 2015年l0月 聚酰亚胺/-氧化钛复合薄膜的制备及性能研究 杨志兰 (江汉大学光电化学材料与器件省部共建教育部重点实验室,湖北武汉 430056) 摘要:以联苯四甲酸二酐(BPDA)与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)为单体,N,N一二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,制备出高粘 度的聚酰胺酸溶液,然后将钛酸丁酯一乙酰丙酮溶液逐滴滴加均匀分散至聚酰胺酸溶液中,将PAA在玻璃板上涂膜经过高温 亚胺化处理,最后制备PI/TiO复合薄膜。利用扫描电镜、傅里叶红外光谱对复合薄膜的化学结构进行表征;通过拉伸试验对 复合薄膜的力学性能进行研究;采用热失重(TG)测试,对复合薄膜的热学性能进行表征。最终结果表明,所制备的复合薄膜 中存在纳米TiO:的空间网络结构,并且纳米TiO在薄膜中均匀分布,在TiO:含量为2%左右时,复合薄膜的综合性能最优。 关键词:聚酰亚胺;二氧化钛;复合薄膜 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2015)10-0010-04 聚酰亚胺是一种高性能聚合物材料,具有优异 的耐热性、耐辐射性,优良的机械性能、电学性能及 化学稳定性能,合成途径较多并可用各种方法加工 成型,各类制品已广泛应用于诸多领域,如薄膜、涂料、工程塑料、先进复合材料的基体树脂等¨ J。聚 合物.无机纳米复合材料综合了有机(韧性、加工性 及介电性能)、无机(刚性、尺寸稳定性和热稳定性) 和纳米材料的特性于一身,正成为一个新兴的极富 生命力的研究领域]。近年来利用无机纳米粒子 对聚合物改性已经成为聚合物改性的重要手段,而 聚酰亚胺无机纳米复合材料则是该领域研究的热点 之一[]。 本研究以联苯四甲酸二酐(BPDA)与4,4一二氨 基二苯醚(ODA)为单体,制备出粘度较大的聚酰胺 酸溶液,然后采用凝胶-溶胶法制备纳米二氧化钛溶 胶,并均匀分散到聚酰胺酸溶液中,通过涂膜和热亚 胺化处理最终制备出PI/TiO复合薄膜,探讨了PAA 粘度对PI膜强度的影响,纳米TiO:含量对复合薄膜 力学和热性能的影响,最终制备出一种综合性能较 好的聚酰亚胺一纳米TiO:复合薄膜。 1实验部分 1.1实验原料和仪器 1.1.1主要原料 联苯四甲酸二酐(BPDA):分子式为c。HO, 分子量为294.22,三菱化学控股集团,工业品;4,4- 二氨基二苯醚(ODA):分子式为C。:HN:O,分子量 为200.24,山东万达化工有限公司,工业品;N,N一二 甲基乙酰胺(DMAc):分子式为cHNO,分子量为 ≤ 87.12,含量>199.0%,水分0.05%,密度为0.938~ 0.942g/mL,国药集团化学试剂有限公司,分析纯;钛 酸四正丁酯:分子式为cH,OTi,分子量为340.32, 相对密度为0.966g/mL,国药集团化学试剂有限公 司,分析纯;乙酰丙酮:分子式为cHO,分子量为 100.12,相对密度为0.9853,国药集团化学试剂有限 公司,分析纯。 1.1.2主要仪器 精密增力电动搅拌器:常州国华电力有限公司;— SB2512DT超声仪:宁波新芝生物科技股份有限公 司;HH一2数显恒温水浴锅:国华电器有限公司;扫描 电子显微镜:型号S-4800,日本日立公司;傅里叶变 换红外光谱仪:型号TENSOR27,Bruker;微机差热天 平HCT.1:北京恒久科学仪器厂;万能材料试验机 CMT6503:深圳市新三思材料检测有限公司。 1.2杂化薄膜制备过程 准确称取干燥过的ODA8.0096g(0.04too1)和 BPDA11.7688g(0.04mo1),先将称取好的ODA加 入洁净干燥的三口烧瓶中,加人112gDMAc溶液 (按固含量为15%来计算),搅拌,然后边搅拌边缓 “ 慢加入称好的BPDA粉末,持续搅拌。待出现爬杆 — 收稿日期:2015-0507 — 基金项目:光电化学材料与器件省部共建教育部重点实验室开放课题基金(JDGD一201310) 作者简介:杨志兰(1978)女,硕士,实验师,主要从事聚酰亚胺复合材料研究。 哪 2015年第10期 玻璃钢/复合材料” 现象,停止搅拌。此溶液即为聚酰胺酸溶液,封I=1, 置于干燥器中。量取0.31ml的钛酸四正丁酯与0.37 ml的乙酰丙酮,混合均匀,逐滴滴加到24g上述聚 酰胺酸溶液中,滴加完后继续搅拌6h,放置过夜。 将混合溶液均匀地涂在洁净的玻璃板上,然后放人 马弗炉中进行高温酰亚酰胺化处理。升温步骤为: 120 ̄(:/0.5h,170 ̄C/0.5h,220 ̄/0.5h,300 ̄C/0.5h, 320 ̄(2/0.5h。待玻璃板冷却后取出,在50 ̄C恒温水 浴锅中分离得到棕色薄膜,烘箱干燥后存放备用。 1.3结构表征及性能分析 采用乌氏粘度计表征P1分子量;采用扫描电子 显微镜表征薄膜结构;采用傅里叶变换红外光谱 (FI'IR)对薄膜进行结构表征;采用热失重(TGA)对 薄膜进行热性能表征;采用万能拉力试验机表征薄 膜的力学性能。 2结果与讨论 2.1PAA的粘度 聚酰亚胺前驱体-聚酰胺酸(PAA)的合成粘度 对制备聚酰亚胺薄膜(PI膜)的强度影响很大。本 实验采用相同的原料合成不同粘度的PAA,然后制 备相应的PI膜,并测试PI膜的拉伸强度,得到PAA 粘度对PI膜拉伸强度的影响关系图,如图1所示。 图1PAA粘度与PI膜拉伸强度的关系图 Fig.1Therelationshipofstrengtho fPIandviscosityofPAA 粘度测试采用粘度计在25 ̄C下对PI的前驱体一 聚酰胺酸进行特性粘度测试。拉伸强度采用万能拉 力试验机。经实验测试当PAA粘度小于5Pa・s时, 制备的PI膜强度很小,容易碎裂。当PAA粘度大 于20Pa・s时,测得PI膜的拉伸强度已接近40MPa。 PAA粘度为60Pa・s时,测得PI膜的拉伸强度已超 过60MPa,但是随着PAA粘度过大,PAA溶液变得 很粘稠,搅拌机发热很明显,同时纳米颗粒的分散均 匀性也受到影响。因此本实验制备粘度约50Pa・s 左右的PAA溶液作为膜,制成相应的PI薄膜的前 驱体。 2.2傅里叶红外光谱分析 对纯PI薄膜,纳米TiO含量分别为2%、5%、 8%、10%的复合薄膜进行红外光谱检测,结果如图2 所示。 图2纯PI、PI/纳米TiO2复合薄膜的红外光谱图 Fig.2FFIRspectraofpurePIandcompoundfilms 由图2可知,各薄膜在1772cm和1708cm附 近出现的峰为亚胺羰基吸收峰,为聚酰亚胺的特征 吸收峰。同时在1366cm附近出现的强吸收峰为酰 —— 亚胺环中的CNC伸缩振动引起的,说明各膜酰亚 胺化完全。在500~880cm区域内的吸收峰为Ti-O 键的振动吸收峰_1,表明复合薄膜中存在TiO的空 间结构。同时由图中可以看出,随着TiO含量的增 加,红外光谱的透光度也随之下降,这是由于TiO中 Ti-O键的吸收导致的,说明复合薄膜中存在TiO,[1。 2.3扫描电镜分析 图3是TiO含量为2%的PL/纳米TiO复合薄 膜在液氮中脆断截断面后的扫描电镜照片。图中灰 黑色区域为有机相部分,亮白色圆球状的为无机相 的二氧化钛粒子,由图可以清楚看出,无机相粒子粒 径分布在60~lO0nm的范围之内,主要以球状形式 存在且独立嵌在有机质中,没有出现团聚的现象。 嗡瓣 12 聚酰亚胺/二氧化钛复合薄膜的制备及性能研究 2015年10月 图3PI/纳米TiO复合薄膜的扫描电镜照片 Fig.3SEMphotographofcompoundfilmwith 2wt.%TiO2content 2.4力学性能分析 对纯PI薄膜,纳米TiO含量分别为1%、2%、 5%、8%、10%的复合薄膜进行拉伸试验,结果如图4 所示。 图4纯PI和复合膜的拉伸性能与TiO含量的关系图 Fig.4TensilepropertiesforPIandPI-TiO2series 由图4可以看出,复合薄膜的各项力学性能在 纳米TiO含量较低时随着纳米TiO含量增加而变 大,但是当复合薄膜中纳米TiO:含量超过5%时,复 合薄膜的力学性能反而下降。这可能是因为纳米级 的TiO具有很大的表面积,表面残留的氢键与聚酰 亚胺基体相互作用,载荷被有效地转移到TiO相上, 使得纳米TiO:含量越高越容易发生聚团,尺寸增加 导致界面作用力减小,使得膜的力学性能反而下降。 2.5热性能分析 对纯PI薄膜,纳米TiO2含量分别为2%、5%、8%、 10%的复合薄膜进行热失重分析。图5为PI/纳米 TiO复合薄膜的TG图,从图中可以看出薄膜在50~ 150c【=有少量的质量减少,这是薄膜表面吸附的水失 啦噼 ℃ 去所导致的。在200~400之间基本没有质量减 少,说明聚酰胺酸在300 ̄C左右已经亚胺化完全。 在500 ̄C左右曲线开始呈现下降趋势,此时薄膜开℃ 始加速分解,700后曲线开始平缓,此时残余质量 均超过60%。 图5纯PI及Pl/纳米TiO:复合薄膜的TG曲线 Fig.5TGAthermographsofpurePIandcompoundfilmsata 10 ̄C/minheatingrateundernitrogenflow 由图5可以看出,随着TiO含量的升高,PI/纳米 TiO复合薄膜的分解温度逐渐下降。除TiO含量为℃℃ 2%的复合膜(565.4)的分解温度和纯膜(565.4)一 样高以外,其他的都比纯膜低,分别是548.4 ̄C、 493.6cI=、447.7 ̄C,并且随着TiO2含量的升高,薄膜 分解温度逐渐下降,且TiO含量越高,分解温度下降 越厉害。这是由于引入的氧化物会氧化降解聚酰亚 胺薄膜,在高温下,薄膜被TiO催化发生氧化反应, 致使复合膜的热稳定性下降。 3结论 采用凝胶.溶胶法制备出了一系列不同TiO。含 量的PI//纳米TiO:复合薄膜,复合薄膜中的无机相 分散均匀,随着TiO含量的增加,复合膜的力学性能 总体变化趋势是先增加后降低,耐热性能则逐渐下 降,当TiO含量为2%时,与纯PI膜相比,力学性能 有所增加,耐热性能也没有明显的变化。 参考文献 — [1]RabiHoudG.Highperformancepolymers:polyimidesinelectmnics NO.3:chemistryandapplications[M].Paris:editionsTechnip, 20o0. 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PREPARATIONANDCHARACTERIZATIONOFPOLYIMIDE/TiO2COMPOSITEFILM YANGZhi.1an (KeyLaboratoryofOptoelectronicChemicalMaterialsandDevicesofMinistryofEducation, JianghanUniversity,Wuhan430056,China) — Abstract:Polyimide/TiO2compositefilmswerepreparedviasolgelreactionusingtetrabutyltitanate(TBT)as theinorganicprecursorandincorporatingitintopoly(amicacid)(PAA)derivedfrom3,3,4,4'-biphenyltetra- — carboxylicdiandhydride(BPDA)and4,4'-diaminodiphenylether(ODA)inN,Ndimethylacetamide(DMAc). Thechemicalstructureandcompatibilityofthehybridfilmwerecharacter izedbyFFIRandSEM,respectively.The effectofTiO2contentonmechanicalpropertyandthermalbehaviorofhybridf ilmwasstudied.Theresultsindicated thatthenanoTiO2particlesdisperseduniformlyinpolyimidematrix.Andthecomprehensivepropertieswereoptimal whenthecontentofTiO2isabout2wt.%. Keywords:polyimide;TiO2;compositefilm 固灏瓣
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