聚酰亚胺/梯形聚倍半硅氧烷杂化薄膜的微观结构和性能的研究

聚酰亚胺/梯形聚倍半硅氧烷杂化薄膜的微观结构和性能的研究

【摘要】： 聚酰亚胺（PI）是一种具有优异耐高低温性能、机械性能和耐溶剂性的工程和结构材料，并且被广泛应用于电子电工和航天航空等高科技领域。含硅聚酰亚胺相对于纯聚酰亚胺在粘结性、电学性能、阻燃性、抗原子氧性能等方面均可获得提高，并且可降低材料的吸湿性、热膨胀系数等。具有特殊双链结构的梯形聚倍半硅氧烷（LPSQ）具有优异的耐热性、耐辐射性、化学和力学性能，以及良好地溶解性和成膜性，并且其侧基结构中的活性有机官能团可根据目标聚合物基材对分子进行“裁剪”或实现多官能化。因此，本论文通过向聚酰亚胺基体中引入刚性苯基梯形聚倍半硅氧烷（ph-LPSQ）和硝苯基梯形聚倍半硅氧烷（nph-LPSQ），制备了新型高性能含硅聚酰亚胺薄膜及纳米纤维膜。本论文获得的主要研究成果如下：通过原位聚合法制备了含不同官能团LPSQ的PI/ph-LPSQ和PI/nph-LPSQ杂化薄膜。SEM结果表明PI/ph-LPSQ内发生明显相分离，而PI/nph-LPSQ内当nph-LPSQ质量分数未超过30wt%时未发现明显相分离。这种微观结构的差异导致PI/ph-LPSQ力学性能稍有下降，但表面富硅，相同LPSQ质量分数下其表面Si/C比是PI/nph-LPSQ体系的3倍；PI/nph-LPSQ拉伸强度和模量有明显提高，且体系从均一相向两相分离转变时，薄膜的表面含硅量出现增长。DMA和TGA结果显示，刚性LPSQ的引入将提高PI/LPSQ杂化薄膜的Tg，同时保持PI优异的耐热性。硝基的存在可改善PI与ph-LPSQ之间的相容性。FTIR和XPS结果表明，延长硝化时间可提高ph-LPSQ的硝化程度，抑制PI与ph-LPSQ的相分离。通过UV-vis、FTIR和SEM分析可知， PI/ph-LPSQ内部相分离发生于溶剂挥发阶段。且在热亚胺化过程中，ph-LPSQ不断向薄膜表面迁移，而nph-LPSQ的表面硅含量逐渐下降。SEM结果显示，向PI/ph-LPSQ杂化薄膜中分别引入nph-LPSQ和海泡石可改善PI与ph-LPSQ之间的相容性。当nph-LPSQ质量分数为5wt%时，三相杂化薄膜能够获得良好的力学性能与热稳定性。通过万能材料试验机、TGA、CA、吸水率及DMA等测试发现，当海泡石质量分数为5wt%时，杂化薄膜的模量和拉伸强度、热稳定性及疏水性均有所提高，吸水率下降，但Tg变化不大。利用静电纺丝法可得到形貌均匀的PI/SiO2、PI/ph-LPSQ和PI/nph-LPSQ纳米纤维膜。SEM、TGA和CA测试结果显示，三种纤维膜均表现为光滑表面，具有优异的热稳定性和疏水性（接触角大于130°）。其中，TEM结果显示PI/ph-LPSQ纳米纤维膜内部ph-LPSQ粒子仅为30nm左右，SEM结果表明纤维形貌随ph-LPSQ含量的增加逐渐出现交联结构，同时吸水率显著下降，最低可达0.64%。

【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013

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