纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能研究

材料科学

刘晓玉等:纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能研究

纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能研究

刘晓玉,陈慧丹,陈昊,李娟,范勇

(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨

150040)

摘要:调整二苯基二甲氧基硅烷和正硅酸乙酯的摩尔比,通过溶胶-凝胶法制备了纳米有机硅杂化聚酰亚胺(PI)薄膜。用FT-IR,SEM表征了薄膜的化学结构和表面形貌,对电气强度,耐电晕性进行了实验研究。结果表明,随着纳米有机硅网络结构的变化,掺杂薄膜的电气强度先保持平稳后下降,酯的摩尔比为1:3时出现极大值,:寿命为纯聚酰亚胺薄膜平均耐电晕时间的8.57倍。关键词:聚酰亚胺;纳米有机硅;电性能中图分类号:TM215.;:1009-9239(2008)05-0040-04

ysisonStructureandDielectricProperty

ofNano-organosilicon/PIFilm

LIUXiao-yu,CHENHui-dan,CHENHao,LIJuan,FANYong(CollegeofMaterialsScience&Engineering,HarbinUniversity

ofScience&Technology,Harbin150040,China)

Abstract:AdjustingthemolratioofDiphenyldimethoxysilane(DDS)andtetraethoxysilane(TEOS),

nano-organic-silica/polyimidefilmswerepreparedbymeansofsol-gelmethod.ThechemicalstructureandsurfacemorphologyarecharacterizedviaFT-IRandSEM.Therelationshipbetweenthestructureandbreakdownstrength,andcorona-resistantpropertywerestudiedviaexperiment.Theresultsshowthatalongwiththechangeofnano-organosiliconnetworkinfilms,thebreakdownstrengthofdopedPIfilmkeepsstableatthebeginninganddecreaseslater.ThebreakdownstrengthcomestohighestwhenthemolratiobetweenDDSandTEOSis1∶3.WhentheratiobetweenDDSandTEOSis1∶1,theaveragecorona-resistanttimeofdopedPIfilmis8.57timesaslongastheaveragecorona-resistanttimeofpurePIfilms.

Keywords:polyimide;nano-organosilicom;electricalproperty

前言

聚合物-无机粒子复合材料可以发挥各自的长处,从而提高材料的综合性能,这方面的研究已日益引起人们的关注[1,2]。聚酰亚胺(PI)的突出特点是具有优异的耐热性、电性能和力学物理性能等综合性能,在许多领域获得了广泛的应用。并且随着对PI研究的深入,人们越来越多的关注利用无机组分来改性PI材料,以期制备出集有机、无机的诸多特性于一身

1

收稿日期:2008-06-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50373008),黑龙江省科技攻关项目(GC04A216)

作者简介:刘晓玉(1982-),女,黑龙江人,硕士研究生,研究方向为高分子物理与化学,(电话)13664615703(电子信箱)liuxiaoyu2009@

;范勇(1953-),男,哈尔滨人,博士,教授,研究方向为

的新材料[3]。在此领域中,研究最早、最多的是PI/

SiO2复合材料,但多是研究单一无机组分对PI的改性。本文采用两种不同有机硅单体,调整两种单体的比例,共聚后掺杂到聚酰亚胺中改性并对其结构与性能之间的关系进行了实验研究。

验

2.1原材料

均苯四甲酸二酐(PMDA):工业品,使用前研细烘干,常熟市联邦化工有限公司;4,4’-二胺基二苯醚(ODA)

:工业品,使用前研细烘干,常熟市联邦化工有限公司;邻苯二甲酸酐:分析纯,直接使用,北京化工厂;二苯基二甲氧基硅烷(DDS):化学纯,直接使用,NewJersey,USA;正硅酸乙酯(TEOS):分析纯,直接使用,天津市科密欧化学试剂有限公司;N,N-2

实

新型绝缘材料,(电话)13100879739。

材料科学

()

刘晓玉等:纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能研究二甲基乙酰胺(DMAc):工业品,使用前提纯,上海试剂三厂。

2.2纳米有机硅溶胶杂化PI薄膜的制备

将TEOS和DDS按一定比例加入到装有DMAc的三颈瓶中搅拌,然后滴入一定量的水,在80～90℃的条件下保持4h,升温至110℃保持半小时后降温至50～60℃间,减压蒸馏得到浓度为30%～50%的硅溶胶。

称取一定质量的ODA加入DMAc中,搅拌至完全溶解,在5～10℃的冰水浴中分批次地加入PMDA,溶液由无色变成浅黄色,,达到等当量时,现象,(PA),再间隔一小时向体系中加入有机硅溶胶,此后在高速搅拌条件下充分反应24h。用装有400目不锈钢网的减压滤胶装置过滤其胶体并抽真空24h后,在室温条件下用自制自动铺膜机在洁净的玻璃板上铺成一定厚度的薄膜,置于烘箱中逐步升温亚胺化24h。冷却后将薄膜揭下并后处理。

有机硅溶胶固定其掺杂量为20%,按照DDS的摩尔百分含量(以下简称DDS含量)为0,12.5%,25%,37.5%,50%,75%,100%制备了一系列的杂化聚酰亚胺薄膜。

2.3结构与性能测试

采用德国BrukerEQUINOX55型傅立叶变换红外光谱仪对薄膜的结构进行表征。

采用FEISirion200型场发射扫描电镜对薄膜的表面形貌进行了表征。

采用南京长盛仪器有限公司的CS2674C型耐压测试仪测试了薄膜的电气强度。

采用自制耐电晕测试装置按照IEC60343方法测试了耐电晕时间。

结果与讨论3.1FT-IR分析

图1是纯PI薄膜的红外光谱图。在1776cm-1,

-1

1713cm处出现的强吸收峰是亚胺中羰基的伸缩振动,715cm-1为羰基的弯曲振动,1367cm-1为-C-N-的伸缩振动,表明亚胺化较完全。图2为DDS摩尔百分含量为50%的纳米有机硅掺杂聚酰亚胺薄膜的红外光谱图。在1234cm-1,1166cm-1,

-1-1

1076cm,812cm处出现了Si-O-Si的特征

3

峰[4],表明预聚物进一步缩合反应形成了有机硅网络。另外在873cm-1处出现了Si-OH的伸缩振动峰,说明预聚物的缩合不是非常完全,薄膜中仍存在

[5]

Si-OH。

图1纯PI薄膜的红外谱图

图2DDS相对摩尔百分含量为50%时杂化膜的红外谱图

3.2SEM分析

图3是纯聚酰亚胺薄膜的SEM图,图4是相对含量为37.5mol%DDS的SEM图,图5是相对含量为50mol%DDS的SEM图。图3中连续的深颜色部分为聚酰亚胺树脂基体的浓相,白色部分为氧化硅网络结构的浓相。从图4中可以看出DDS相对摩尔百分数37.5%的试样氧化硅均匀的分布在聚酰亚胺机体中。DDS为50%的SEM图中圈出的方框中较大颗粒可能是出现了二次团聚。所以造成有机硅粒子分布不均匀。

根据FT

-

IR

图和SEM图4分析掺杂37.5

mol%DDS的聚酰亚胺薄膜可能是由于聚酰胺酸中

的羧基与DDS和TEOS共聚后的产物及其部分水解的中间产物形成了复合物[9]。由于位阻效应,DDS和TEOS共聚后的产物进一步缩合反应受阻,对中间产物起到稳定作用。亚胺化时由于温度升高,分子

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刘晓玉等:纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能研究

绝缘材料2008,41(

运动加剧,反应活性提高,有效地克服了位阻效应,缩合反应继续。正是由于在聚酰胺酸与纳米SiO2预聚物的反应阶段生成了稳定的中间体,而使亚胺化时中间体生成SiO2粒子,防止其团聚现象发生,保证SiO2粒子以纳米尺寸存在于聚酰亚胺树脂中,形成聚酰亚胺/纳米SiO2杂化膜。另一方面从网络结构分析,可能是由于DDS相对摩尔百分含量为37.5%时网络结构中的网格大小适中,能够很好的和PI形成网络结构。

5图

图3纯聚酰亚胺薄膜SEM图

图6电气强度随有机硅溶胶结构的变化

通过控制加水顺序和加水量,理论上生成平均4个单体硅聚合在一起的预聚物。只由DDS合成的有机硅溶胶是线性结构的,即使在亚胺化成膜以后也不能形成网络结构。而只由TEOS合成的预聚物可能是 …… 此处隐藏：3537字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……