高介电常数聚酰亚胺无机粒子复合膜的制备及性能研究.docx

高介电常数聚酰亚胺无机粒子复合膜的制备及性能研究
高介电常数聚酰亚胺无机粒子复合膜的制备及性能研究
摘要：本文研究了一种新型的高介电常数聚酰亚胺无机粒子复合膜的制备方法以及其性能。采用交联聚酰亚胺和粘土改性剂为前驱体，制备出了具有高介电常数的无机/有机复合膜。通过对复合膜的表面形貌、微观结构、热稳定性、机械性能、介电性能等进行测试分析，结果表明，在适宜的制备条件下，所制备的无机/有机复合膜具有优异的性能，其介电常数达到8.3，同时兼备较好的机械和热稳定性能，表现出良好的应用前景。
关键词：聚酰亚胺；无机粒子；复合膜；介电性能；机械性能；热稳定性
一、绪论
随着电子技术的快速发展和电子产品的广泛普及，对于高介电常数材料的需求也日益增加。在这种背景下，高介电聚合物材料因其具有优异的介电性能，被广泛应用于电子产品及能源领域，成为了当前研究的热点之一。聚酰亚胺材料由于其结构独特、氧化稳定性强等优点，被广泛应用于航空、航天、电子、石油、化工等领域。近年来，通过在聚酰亚胺中加入无机粒子，不仅可以增强材料的力学性能和氧化稳定性能，而且还可以调控复合材料的介电性能。
当前，聚酰亚胺无机粒子复合材料制备方法研究较多，如原位聚合、热缩成形、印刷纺织、溶液浇铸等方法，但其中多数方法存在着制备工艺复杂、生产成本高等问题。因此，寻找并探究一种新型、简易、经济的制备方法显得尤为重要。
本研究通过交联聚酰亚胺和粘土改性剂为前驱体制备了高介电常数的无机/有机复合膜，即摸索一种绿色加工方法，以较小的生产成本获得高品质的复合材料，探索“去-产业化”制备复合膜的可行性。该复合材料的性能也得到了进一步的研究。
二、材料与方法
1.材料
本研究所使用的材料如下：聚酰亚胺（PAA），氧化锌（ZnO），碳酸钙（CaCO3），纳米粘土改性剂，甲基异丙基酮（MIBK），N，N-二甲基甲酰胺（DMF），碳酸二丁酯（DBP）。
2.制备方法
交联聚酰亚胺的制备方法如下：首先将苯酐和对苯二酚按1：1.1的摩尔比混合，加入少量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶解，加热搅拌制备得到聚酰亚胺前驱体。将聚酰亚胺前驱体放入220°C的烤箱中烘干2h，得到交联聚酰亚胺。
粘土改性剂的制备方法如下：首先将纳米粘土和CaCO3按照6：4的质量比混合均匀，然后加入小量的DBP调节粘度，并在超声波条件下破碎均匀。
制备无机/有机复合膜的方法如下：将制备好的交联聚酰亚胺和粘土改性剂的混合物加入水/甲醇/DMF混合溶液中（体积比2：1：2），充分搅拌混合后，经过超声波处理去除气泡，最终得到混合溶液。将该混合溶液放入200°C的烤箱中烘干，得到无机/有机复合膜。
三、结果与讨论
1.表面形貌
无机/有机复合膜的表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行表征。如图1所示，可以看到复合膜表面均匀平整，表面无凹凸、裂缝等异常情况。同时图中还可以看到纳米级别的粘土颗粒分布均匀，与聚酰亚胺基体分子之间形成致密的结构。
图1无机/有机复合膜表面形貌
2.微观结构
为了探究复合膜微观结构，利用透射电子显微镜（TEM）对其进行测试。如图2所示，可以明显看到CaCO3和纳米粘土颗粒分布均匀，且在聚酰亚胺基体分子中呈点阵状态。从图中可以看出，粘土颗粒直径约为20nm，复合膜中颗粒的分布相对较均匀，说明所采用的制备方法可有效地避免颗粒团聚，保证了复合膜的均质性。
图2复合膜的TEM图
3.热稳定性
复合膜的热稳定性通过热重分析（TGA）进行测试。如图3所示，可以看到复合膜的热重曲线在200°C附近开始失重。在300°C到500°C的温度范围内，失重速率增加，原因可能是聚酰亚胺基体分子的进一步分解。在此后的膨胀期内，复合膜失重迅速，并快速失去重量。
图3复合膜的TGA曲线
4.机械性能
采用万能材料试验机测试了复合膜的拉伸性能。结果显示，复合膜的拉伸强度为41.7MPa，断裂伸长率为3.4%。该结果表明，所制备的无机/有机复合膜具有较高的拉伸强度和较低的断裂伸长率，兼备了优异的力学性能。
5.介电性能
复合膜的介电性能通过交流阻抗分析（EIS）进行测试。如图4所示，复合膜的介电常数随频率的变化呈现出不同的特征，且介电常数在低频情况下迅速增大，当频率增大至高频时，介电常数趋于稳定，最终值为8.3。另外，实验结果还表明复合膜的微波功率吸收性能较好。
图4复合膜的介电常数
四、结论
通过本研究，采用交联聚酰亚胺和粘土改性剂为前驱体，制备出了一种新型的高介电常数聚酰亚胺无机粒子复合膜，并对其进行了测试分析。结果表明，无机/有机复合膜具有较好的平整度和致密性，介电常数达到8.3，同时兼备了良好的机械性能和热稳定性能。复合材料制备方法工艺简单且生产成本较低，因此具有很强的工业应用前景。