PI/Al2O3/SiO2杂化薄膜的力学及电学性能

陈高汝++林家齐++李东平++冯+峰++杨文龙

摘要：采用原位聚合法制备掺杂无机粒子质量分数从1%～5%的PI/Si02/Al302纳米杂化薄膜，通过SFM发现无机纳米Al203和纳米Si02颗粒在聚酰亚胺基体中有很好的相容性和分散性，其颗粒尺寸大约在100nm左右.采用万能试验机和宽频介电谱分析仪研究不同浓度Al203和Si02的掺杂对PI薄膜的力学性能和电学性能的影响.当质量分数为3%的时候，杂化薄膜力学性能最佳，具有最大的拉伸强度（36.143MPa）和断裂伸长率（10.88%）.并且在100Hz下它相比于其它含量的杂化薄膜，具有最小的介电常数（6.76）、介电损耗（0.01）和电导率（3.94xl0-12S·m"）.

关键词：聚酰亚胺；纳米二氧化硅；纳米氧化铝；力学性能；电学性能

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.020

中图分类号：TM 215.3

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）02-0105-04

0 引 言

芳香族聚酰亚胺是综合性能优越的聚合物材料，具有出色的热学、机械和电学性能，广泛应用于半导体工业、电子工业、传感器以及生物医学等领域，然而，随着电子工业的快速发展，纯的聚酰亚胺（PI）已经无法满足实际需求.聚酰亚胺材料是一种良好的绝缘材料，通过添加无机纳米粒子制备聚酰亚胺复合材料，可以提高聚酰亚胺材料的机械性能，热性能，和电绝缘性能等，使得改性聚酰亚胺的应用领域越来越广泛，

与PI杂化来改善性能的无机纳米粒子很多，其中Si02的物理化学稳定、热膨胀系数最小，且吸水率几乎为零，将PI与Si02复合可降低PI基体的吸潮性，并提高材料的热稳定性.纳米Al203具有强度大，硬度高，耐热等优点，再通过将Al203与上述二者进行复合来提高材料的力学性能，使得材料在使用过程中抗拉强度得到加强.本文采用原位聚合法在PI基体中掺杂用溶胶一凝胶法制备的Si02纳米颗粒和自蔓延高温合成法制备的Al203纳米颗粒来制备PI/Si02/Al203纳米杂化材料，通过以上两种纳米材料的掺杂填补基体中的缺陷，改善其力学和电学性能.

1 实验

1.1原材料

本实验采用的原材料为：4，4一二氨基二苯醚（ODA），均苯四甲酸二酐（PMDA）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；N-N二甲基乙酰胺（DMAC）：分析纯，天津市富宇精细化工有限公司.实验中所用的纳米Si02颗粒是通过自蔓延高温合成法（SHS）制备；纳米Al2O3颗粒溶胶一凝胶（sol-gel）法制备，并经过24h球磨.

1.2试样制备

称取一定量的4，4二氨基二苯醚、纳米Si02和纳米Al203颗粒，并加入到适量的N-N二甲基乙酰胺溶剂中超声分散纳米颗粒，然后分批加入一定量的均苯四甲酸二酐，待二酐完全加完后，在混合液中加入适量的硅烷偶联剂，然后再高速搅拌反应4h.陈化24h后将混合液在玻璃板上进行刮膜，最后将其放入烘箱内从80～330℃梯度升温，待冷却到室温后取膜，制备过程如图1所示，

本文采用原位聚合法制备的PI/S102/Al203纳米杂化薄膜.其中PI/Si02/AI203杂化薄膜中纳米Si02和纳米Al203的质量各占1/2，按此方法分别制备质量分数为1%、2%、3%、4%和5%的PI/Si02/Al203纳米杂化薄膜.

1.3性能测试与表征

扫描电子显微镜（SEM）采用日立高新科技公司生产的SU8020型.微机控制电子万能试验机是中国科学院长春科新公司试验仪器研究所的WDW4100型.宽频介电谱分析仪（brordband dielec-tric specstrum-BDS）是采用德国Novocontrol公司生产的Alpha-A型.

2 结果与讨论

2.1表面形貌分析

图2是质量分数分别为1%、2%、3%、4%和5%的PI/Si02/Al203纳米杂化薄膜的扫描电镜图片（SEM）.从图中可以看到，当无机纳米粒子的质量分数小于3%时，无机纳米粒子与PI基体有很好的相容性，能够均匀地分散在基体中，没有出现团聚现象，通过电镜照片，依然能够清晰的看到基体中的无机颗粒大约在100nm左右.但是，当无机纳米粒子的质量分数达到3%以上时，开始有团聚现象的出现，但是无机纳米粒子的颗粒尺寸依然清晰可见.

2.2力学性能测试

图3（a）和（b）分别为PI/Al203/Si02杂化薄膜的拉伸强度和断裂伸长率，与不同无机纳米粒子掺杂量关系图.从图3（a）中可以看出当掺杂质量分数从1%增加到3%的时候，原位聚合法制备的PI/Al203/Si02杂化薄膜的拉伸强度随着掺杂含量的增加而增加.当掺杂质量分数到达3%的时候，拉伸强度达到最大值为36.143MPa.当掺杂质量分数超过3%的时候，拉伸强度又随着掺杂量的增加而减小，图3（b）为不同无机纳米粒子掺杂质量分数的PI/Al203/Si02杂化薄膜的断裂伸长率图.它与杂化薄膜的拉伸强度一样，随着无机纳米粒子掺杂量的增加呈现相同的趋势，在掺杂质量分数到达3%的时候，断裂伸长率达到最大值为10.88%.这说明适量的无机纳米粒子的掺入能增强聚酰亚胺的抗拉伸性能和断裂伸长率，使其力学性能变好.但是当掺杂量过多时，力学性能反而下降，出现杂化薄膜的拉伸强度和断裂伸长率下降的现象.

对这种现象产生的原因主要可能是：聚酰亚胺薄膜在受到拉力后自身的线性链状结构断裂，而在适量的Al203和Si02粒子加入后，由于Si02的交联作用，粒子均匀分散于聚酰亚胺分子内部，使得聚酰亚胺由线型结构变为网状结构，从而使得杂化薄膜的拉伸强度变大.但是，当无机纳米粒子的掺杂量较高时，无机纳米粒子开始出现明显的团聚，这不但会阻碍线型的聚酰亚胺分子变为网状结构而且会使得聚酰亚胺分子链的结构变得不完全，所以当无机纳米粒子的含量过大时，聚酰亚胺薄膜相应的力学性能也下降.