聚酰亚胺材料在电子电器领域的应用

魏文康，虞鑫海，李智杰,王 凯，吕伦春

(1. 东华大学应用化学系，上海 2016202； 2. 浙江浩睿新材料科技有限公司，浙江义乌 322000；3. 聚威工程塑料(上海)有限公司，上海 201612； 4. 上海迪美高分子材料有限公司，上海 201713)

聚酰亚胺是一种在分子主链中含有酰亚胺环的聚合物材料，具有优异的力学性能、耐热性、介电性能等，被认为是新世纪综合性能最好的材料之一[1]。

聚酰亚胺材料包括薄膜、塑料、纤维、绝缘漆、涂料等。这些材料都有较好的耐高低温性能、机械性能、介电性能、生物相容性、低的热膨胀系数等诸多性能，被广泛地用作电子器械工业、工程塑料、航空航天工业、先进复合材料、纤维等领域[1]。尤其是近年来作为轻质、耐高温材料和优异的绝缘介电材料，聚酰亚胺材料在集成电路、印制线路板、汽车电动机、高铁牵引电机、发电机、变压器、电线电缆、电机、电磁线等方面得到了广泛运用，具有非常好的应用和开发前景[2-3]。

1 聚酰亚胺薄膜

虞鑫海等[4]采用含柔性链段的4,4′-二氨基二苯醚(44ODA)与含三氟甲基的二酐2,2-双(3,4-羧基苯基)六氟丙烷二酐(6FDA)经两步法制得了聚酰亚胺薄膜。此聚酰亚胺薄膜具有十分优良力学性能、耐热性能以及电学性能。可用作于湿敏电容电机的槽绝缘以及电缆绕包等材料。其性能如表1所示。

表1 上述方法制得的聚酰亚胺薄膜相关性能

赵建青等[5]介绍了一种无色透明含降冰片烯结构聚酰亚胺薄膜的制备方法。首先制备糊状二胺醋酸盐悬浊液；再将降冰片烯#马来酸酐二元共聚物或马来酰亚胺#降冰片烯#马来酸酐三元共聚物与3,3′,4,4′—四羧基联苯二酐研磨混合均匀，并一次性加入到所制得的二胺醋酸盐悬浊液中，反应6～12 h，得到聚酰胺酸溶液；固化后即得聚酰亚胺薄膜。该种聚酰亚胺薄膜具备极佳的综合性能，低的介电常数，优良的力学性能及耐热性。

Lei X F等[6]通过调整PI分子骨架的刚性，制备了介电常数可调的高性能超支化 PI，结果表明，PI拉伸强度提升至124.10 MPa，介电常数达到2.69(1 MHz)，具有非常优异的力学和介电性能，可广泛应用于电子电器等领域。

由此可见聚酰亚胺薄膜的综合性能极佳，在柔性覆铜箔板、大电机主绝缘、太阳能电池、电磁线绕包电气绝缘材料等高科技等此类电子电器领域都有所应用。而且聚酰亚胺薄膜制备方法简单，对环境影响小，可大规模产业化。

2 聚酰亚胺纤维

聚酰亚胺纤维具有较高的拉伸强度和弹性模量，而且还具有较好的耐药品腐蚀性、耐热性能等，因此聚酰亚胺纤维可以在恶劣的工作环境下使用，这也是其他高技术纤维品种所不具备的优势[7]。近年来，高性能聚酰亚胺纤维在电子电器领域得到了广泛的应用，并且品种也多种多样，例如：海派龙(Hypyron)等聚酰亚胺纤维，可用于制作H级和C级电机中的线圈绕组、相间和匝间线路终端绝缘材料、干式变压器等，具有非常好的力学强度和介电性能，是很好的电气绝缘材料。

Zhang[8]等向BPDA/p-PDA体系分子主链上引入二胺单体ODA和BIA，并对两种单体对纤维性能的影响进行系统研究。结果表明，ODA和BIA的引入均可以有效提高纤维的力学性能，但BIA的影响要高于ODA。

付饶等[9]发明可实现批量化制备纤维直径纳米级、长度微米级的聚酰亚胺纤维产品。制备的聚酰亚胺超短纤维的纤维长度为2～500 μm，纤维直径为0.1～50 μm，比表面积为2～30 m2/g。通过此发明的制备方法所获得的聚酰亚胺超短纤维具有耐高低温、耐紫外辐照、绝缘性好等特点。

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崔晶等[10]将聚酰胺酸纺丝原液干喷湿纺的方式来纺丝，经一定的操作工艺得到原丝，再将原丝经过高温亚胺化、热牵伸后可以制得的聚酰亚胺纤维，具有高致密性和高强度的优点。

现如今日本、俄罗斯、美国等发达国家都在逐步加大对PI纤维的研究投入，国内江苏奥神集团和东华大学对干法成形PI纤维进行了工程化探索，并以此为基础首次在国际上成功建成投产具有自主知识产权的干法纺丝生产线。逐步拉近与发达国家在PI方面研究水平的差距。

3 聚酰亚胺漆

经济的快速发展以及人民生活水平的改善，使得漆包线漆不论在军用还是民生领域的需求量都呈现快速增长的态势。漆包线漆具有优异的电绝缘性能，是电工设备中不可或缺的材料，高品质的漆包线漆可以提高电气设备的经济技术指标，延长设备的运行寿命。

聚酰亚胺漆可有效地阻滞电子迁移、防止化学腐蚀、增强电子器件的防潮性和机械性能等，在20世纪60年代，它由德国BECK 公司通过酰亚胺基团改性聚酯获得，在国际上是180级漆的主要品种。现热塑性全芳香型聚酰亚胺绝缘电磁线可采用挤出法制造，并具有优质、高效、低成本的优点。该产品具有较好的电气性能和机械强度，可耐热冲击、耐软化击穿，是180级及以上复合涂层漆包线制造中底漆涂层的主要材料，广泛用于耐高温和耐氟利昂的电机电器中[11]。

Morikawa等[12]将正桂酸醋(TEOS)加入聚酰胺酸溶液中进行溶胶-凝胶反应，经亚胺化反应制得PI/SiO2化杂化薄膜，用于漆包线的绝缘涂层，结果表明与未添加SiO2的漆包线相比该漆包线具有较高的击穿电压及较好的耐热性。

Koba Shigeo等[13]将4，4′-二氨基二苯甲院、4，4′-二氨基联苯与均苯四甲酸酐按摩尔比为25∶25∶49.5合成聚酰胺酸，经亚胺化反应制得厚度为30 um的PI薄膜，该薄膜具有较高的热稳定性、较好的力学性能和良好的热膨胀性能。

虞鑫海等[14]以2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑、芳香族二酐和2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷在有机溶剂中反应制得聚酰胺酸，在经一定热亚胺化工艺制得聚酰亚胺绝缘漆。其性能如下表所示：

表2 上述方法制得的聚酰亚胺漆性相关性能

沈必亮[15]公开了一种纳米氧化铝接枝尼龙改性聚酰亚胺漆包线漆，其制备首先将纳米Al2O3进行活化处理，通过甲苯二异氰酸酯使其异氰酸酯官能团化，然后将异氰酸酯化改性纳米Al2O3和己内酰胺进行接枝反应，得到纳米Al2O3接枝己内酰胺活化剂，之后参与己内酰胺的水解聚合反应，得到尼龙/纳米Al2O3复合材料，掺杂到聚酰亚胺基体材料中，得到改性聚酰亚胺漆包线漆。此发明在纳米Al2O3表面接枝有异氰酸根，再与己内酰胺进行接枝反应，作为下一步尼龙合成的活化剂，在聚酰亚胺漆包线漆基体中引入尼龙材料，提高了漆膜的绝缘性能，漆膜的耐热冲击性能和缠绕性良好，同时提高材料的耐电晕性能。

尽管聚酰亚胺漆在使用性能方面相较于其他品种具有明显的优势，并且可以很大程度上的延长漆包线在高温状态下的使用寿命。但是其耐磨强度相较聚酯和聚乙烯醇缩醛涂层还有待提高，所以为了使聚酰亚胺漆的应用更加具有前景，还需要在技术上不断的突破和改进。

4 聚酰亚胺塑料

近年来泡沫塑料在某些特殊领域中原有的性能要求已不能满足工业实践的要求，从而使得高性能泡沫塑料的研发越来越受到科研人员的重视，成为新的研究方向，研究热度也逐年上升[16]。

PI泡沫塑料的电学性能尤为突出，介电常数一般在3.4左右，体积电阻率高达10l7Ω·cm，热分解温度500℃以上，可用于雷达天线罩、耐高温芯材，电机及电器隔热层等，也可应用在对耐高温、低膨胀、耐磨、自润滑要求较高的结构部件中。此外，聚酰亚胺塑料可作为层间绝缘材料，应用于超高压电机线圈、大规模集成电路中，作为缓冲层可以降低应力从而保护器件，作为保护层能够降低环境尤其是射线对器件的影响。

Yu F等[17]以PMDA 和PAPI合成硬质聚酰亚胺泡沫，测试结果表明，制备出的硬质PI泡沫泡孔均匀，具有优异的力学性能以及热稳定性，可在360℃ 保持质量损失在5%以内。

孔德亮等[18]以3,3′,4,4′-BPDA和ODA于DMAC 中共聚反应先制得聚酰胺酸(PAA)。然后按照一定比例加入乙酸酐/三乙胺体系脱水化学亚胺化制得相应的聚酰亚胺模塑粉。经测试热分解 5%的温度均在530℃以上，拉伸强度达106 MPa，弯曲强度达128 MPa，具有非常优良的耐热性能和力学性能。

王铎[19]介绍了一种具有防紫外线功能的聚酰亚胺塑料的制备方法。通过该方法制得的聚酰亚胺塑料具有优异的综合性能，尤其是防紫外线辐射能力较为突出，可应用于电子领域多种防紫外线辐射的现场。

5 聚酰亚胺树脂基复合材料

近年来国内外对聚酰亚胺的研究呈现多元化、功能化的趋势，很多学者将功能基团引入聚酰亚胺或对其改性使得聚酰亚胺在特定领域得以功能化应用，是目前应用最广泛、最成熟的复合材料之一[20]。

可用聚酰亚胺树脂浸渍玻璃纤维和碳纤维制作层压板用作FPC板等绝缘材料。同时聚酰亚胺树脂基复合材料也可作为低温环境的航空设备部件、仪器仪表部件、电子产品元件等产品。此外PI的热膨胀系数和铜较为相近，将其与铜箔复合，在柔性印刷线路板的制造中有所应用[21-22]。

虞鑫海等[23]介绍了一种聚酰亚胺玻璃布层压板的制备方法，采用合成的聚酰胺酸溶液浸渍玻璃纤维布，经一定工艺热压成型，经测试，室温抗弯强度741 MPa，起始分解温度近600℃，具有十分优良的力学性能、热学性能。可用于耐高温电气绝缘材料(如FPC板等)、航空飞行器(如机翼等)的耐高温结构件材料，应用前景非常广阔。

Christopher W B[24]等采用原位聚合法制得了BST/PI均相纳米复合材料，经测试 BST的体积分数在10%时，击穿强度提高了24%，其体积分数达到18%时，介电常数为6.2，介电损耗<0.04。可在机械、电子电器、汽车、家电等领域广泛应用。

陈晓锋[25]介绍了一种防静电长纤维增强聚酰亚胺树脂复合材料的制备方法，该方法制备的PI复合材料具备较高的防静电性能优异、抗冲能力，且表面光滑无浮纤，非常适用于制备用于低温环境的航空设备部件、仪器仪表部件、电子产品元件等材料。

聚酰亚胺树脂基复合材料兼备了聚酰亚胺的耐高温性、优异的力学性能、绝缘性能等特点，使得聚酰亚胺树脂基复合材料的综合性能在繁多的材料中也占有一席之地，得到广泛的应用。

6 结束语

聚酰亚胺材料以其优异的综合性能，近年来它已广泛应用于电子电器、精密机械等高新技术领域。但是聚酰亚胺的制备成本相对来说较高，大大的限制了聚酰亚胺的发展，我们应当不断对聚酰亚胺的合成、工艺、分子设计等进行研究探索，使聚酰亚胺在今后的发展中大放其异彩。