纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能研究

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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讨论

纳米有机硅杂化聚酰亚胺薄膜的结构及电性能讨论

刘晓玉,陈慧丹,陈昊,李娟,范勇

(哈尔滨理工高校材料科学与工程学院,哈尔滨

150040)

材料科学

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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讨论二甲基乙酰胺(DMAc):工业品,运用前提纯,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按肯定比例加入到装有DMAc的三颈瓶中搅拌,然后滴入肯定量的水,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。

称取肯定质量的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干净的玻璃板上铺成肯定厚度的薄膜,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%,根据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

采纳德国BrukerEQUINO*55型傅立叶变换红外光谱仪对薄膜的结构进行表征。

采纳FEISirion200型场发射扫描电镜对薄膜的表面形貌进行了表征。

采纳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。

采纳自制耐电晕测试装置根据IEC60343方法测试了耐电晕时间。

结果与争论3.1FT-IR分析

图1是纯PI薄膜的红外光谱图。在1776cm-1,

-1

1713cm处涌现的强汲取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,说明亚胺化较完全。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处涌现了Si-O-Si的特征

3

峰[4],说明预聚物进一步缩合反应形成了有机硅网络。另外在873cm-1处涌现了Si-OH的伸缩振动峰,说明预聚物的缩合不是特别完全,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%的试样氧化硅匀称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涌现了二次团聚。所以造成有机硅粒子分布不匀称。

依据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。亚胺化时由于温度上升,分子

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绝缘材料2022,41(

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改变

通过掌握加水顺次和加水量,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线型结构也可能是支化结构,在成膜过程中可以形成网络结构。结合图1推想,随着DDS含量的增加生成网络结构的可能性随之减小,相应的破坏了网络结构的规整性。

纯聚酰亚胺薄膜的平均电气强度为299MV/m,

图4DDS相对含量为37.5%SEM图

当DDS的相对摩尔百分含量小于25%时耐击穿技能比纯聚酰亚胺薄膜好并保持平稳,大于25%时耐击穿技能开始缓慢下降。当DDS的含量为37.5%时击穿技能下降到与纯膜相近。分析缘由可能是由于

DDS分子结构中苯环的存在使杂化膜的耐击穿技能

图5中形成的二氧化硅粒子采纳的配比是DDS和TEOS摩尔比为1:1,可能由于DDS的摩尔百分含量相对较多,所以DDS和TEOS共聚后形成的网格较大并且网络结构缺陷相对较多,导致其不能很好的和PI之间相互作用形成网络结构涌现了团聚现象。

3.3

加强,它与网络结构中的网格缺陷导致的耐击穿技能下降互为冲突因素。在DDS相对摩尔百分含量小于

25%时苯环存在的正面影响大于因网格缺陷而带来

电气强度分析

本试验选用圆柱对平板不锈钢电极,电极边缘倒

成R2.5mm的圆角(以清除边缘效应),上电极直径

25mm、高25mm;以二甲基硅油为绝缘介质,采纳标

的负面影响。所以耐击穿技能比纯膜高并保持平稳。相反DDS相对摩尔百分含量大于25%时由网格缺陷而导致耐击穿技能下降作用大于苯环存在所带来的正面影响。所以耐击穿技能开始下降。

另一方面从网络结构上来说,只以TEOS为原

准升压方式,即在规定的20s内电压从零升至击穿电压。测试结果如图6所示。

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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讨论料生成的有机硅网络结构中的网格比以DDS和

TEOS共聚后生成的网格小,而且网络结构比较完

C-O键的键能,具有较高的热稳定性和抗氧化性,

善[6

]。而以DDS和TEOS共聚后生成的有机硅网络结构分布存在着不匀称性,相当于网络缺陷。对此可由传统的电介质弱点击穿理论进行说明[7]。3.4耐电晕性分析

由表1的测试数据显示,在50Hz、场强为60MV/m的条件下本试验测得纯聚酰亚胺薄膜的平均耐电晕寿命为5.4h(每种试样均测5次求其平均值),随着DDS相对摩尔百分含量的改变杂化薄膜的耐电晕寿命分别是纯聚酰亚胺薄膜的、3.倍、5.7倍、8.57

从而提高了材料的耐电晕性能。

由于高能粒子轰击引起电腐蚀效应,薄膜有效厚度随老化时间增加而下降,所以薄膜材料的耐电晕寿命与薄膜的厚度有关[8],薄膜越薄,被腐蚀的速度越快,耐电晕寿命就越短。由于受成膜工艺的限制,杂质的存在也是影响耐电晕寿命的一个因素。

论

-DDS不。通,有机硅单体中随DDS相对摩尔百分含量的改变,导致有机硅网络结构不同,对杂化PI薄膜的电性能的影响也不同。

(1)从扫描电镜图中可以看到TEOS和DDS共聚后的有机硅溶胶能够很好地分散到聚酰亚胺薄膜中,DDS相对摩尔百分含量37.5%分散得最好。

(2)DDS相对摩尔百分含量小于25%电气强度保持平稳,DDS相对摩尔百分含量大于25%电气强度开始下降。该结果可由无机纳米氧化硅的结构改变得到很好的说明。

(3)随着预聚物中DDS的相对摩尔百分含量的增加,耐电晕性能大幅度增加,DDS的相对摩尔百分含量为50%时杂化薄膜的平均耐电晕寿命为纯聚酰亚胺薄膜平均耐电晕寿命的8.57倍左右。