聚酰亚胺薄膜的研究进展

引言聚酰亚胺（PI）历史悠久，被誉为“21世纪最有希望的工程塑料”之一，1908年Bogert首先合成PI，其为主链上带有酰亚胺环的一类高分子化合物。PI具有优异的耐热性能、机械性能、电绝缘性能、耐辐射性能以及良好的化学稳定性能，这使得其分别得以薄膜、纤维、复合材料等广泛应该于电力电器、航空航天等邻域。PI膜在绝缘材料、结构材料方面的应用正不断扩大，在功能材料方面也崭露头角,具有巨大潜力。近年来，全球PI薄膜的制造技术不断发展，呈现更加激烈的态势，PI膜具有优异的综合性能及耐电晕、低热膨胀等特殊功能，广泛应用于高新技术领域。目前为止，国内有这些关于PI薄膜的研究取得进展。01耐电晕型PI膜聚酰亚胺，由于主链中存在十分稳定的芳杂环结构，赋予了其优异的热稳定性、力学性能和绝缘性能，因此，广泛用作高频变压器、变频电机及风力发电等设备的绝缘材料，如下图所示。然而聚酰亚胺在高频电压下的耐电晕性能较差，严重缩短了电气设备的使用寿命。为了提高聚酰亚胺薄膜的耐电晕性能，近些年国内外学者借助纳米改性技术对聚酰亚胺复合薄膜展开了大量研究，已证实添加适量的纳米粒子能有效改善聚酰亚胺的耐电晕性能。其中最具代表性并已大规模投入生产的耐电晕聚酰亚胺薄膜是由杜邦公司所研发的100CR(其为老化的横断面SEM图如下图所示)，其独特的“三明治”结构（上下两层为掺杂Al2O3的复合PI薄膜，中间层为纯PI薄膜）使其在高频电压下有着更高的耐电晕寿命，最高可达纯聚酰亚胺薄膜（100HN）的10倍以上。2017年中车株洲电机有限公司将耐电晕型聚酰亚胺薄膜国产化，打破了国外的垄断，王文进等人将国产耐电晕聚酰亚胺薄膜与同品类进口薄膜进行对比表明：国产薄膜具有更好的力学性能、耐电晕性能、耐热性能、更高的寿命和局部放电起始电压（PDIV）值以及优异的线圈成型工艺性，并且在价格上具有更大的优势。02低介电常数PI膜随着5G通讯时代的到来，低介电PI膜成为近年来的研究热点。PI膜因具有较低的介电常数及介电损耗在绝缘系统中应用广泛，为了降低PI的介电常数，研究者们从ClausiusMosotti方程出发，对PI进行了大量的改性工作，如改变本体结构降低分子中偶极子的极化能力，或是引入多孔结构从而减少单位体积内极化分子的数目，从而降低材料整体的介电常数等，都能使PI薄膜的介电常数从3.1至3.6，降至2.0至3.0左右(如下表所示)，并同时具有良好的可折叠性、热稳定性。03透明PI膜水凝胶因具有含水量高、生物相容性好及类似于细胞外基质(ECM)的三维网络结构而被广泛应用于生物医学领域。通过对水凝胶网络组分的设计可以制备仿生的可拉伸超韧水凝胶，可广泛应用于组织工程和柔性电子器件等生物医学领域。随着水凝胶生物相容性和机械性能的改进，可拉伸超韧水凝胶在生物支架、药物运输、3D打印及承重生物材料修复等领域应用广泛;而导电性、自恢复能力及快速响应机制的引入又使得其在可穿戴装置及传感器等智能装置领域被广泛应用。04可溶性PI膜可溶性PI不仅保留了传统PI的性能且具有易于加工的性质，广泛用于电子电器、智能制造、航空航天、纳米材料、环保领域等。可溶性PI的制备技术主要有六种：在主链中引入柔性结构、较大侧基、氟原子、非共平面结构、共聚的方法引入、超支化可溶性结构。与聚丙烯（PP）分离膜相比，PI膜对电解质溶液具有更高的润湿性，且具有极性和刚性的骨架稳定性。因此，与传统的PP分离膜相比，PI膜在锂离子电池中具有更好的前景。展望目前对绝缘PI的研究已经取得了较大进展，但是大部分都是以降低材料的其他性能为代价，无法做到在不改变其综合性能的情况下提升绝缘性能。随着电力系统的发展，设备在工作时会面临更加复杂的工况，因此在未来的研究中应当考虑复杂工况对绝缘材料的影响，如在材料的击穿机制研究下考虑不同环境中的使用，如太空导致材料本身放电；在海洋、沙漠、高海拔等环境恶劣地区，需要考虑材料的环境耐受性以及考虑开发绿色环保可回收的绝缘材料。耐电晕型PI膜在以后的研究中应当考虑无机纳米粒子的分散状态、与聚