论文部分内容阅读
聚酰亚胺(PI)具有良好的热稳定性、机械性能以及耐化学腐蚀性,被广泛应用于微电子器件,航空航天,汽车制造,气体分离,胶黏剂等领域。然而聚酰亚胺树脂本身的导电性能和导热性能差,这些缺点限制了聚酰亚胺在航空、微电子等领域的应用。在PI树脂中引入石墨烯(GNPs)或氮化硼(BN)能有效提高PI导电性能或导热性能。传统复合工艺如原位复合、溶液复合或熔融复合往往需要对纳米填料进行改性,而且难以调控纳米填料在聚合物基体中的网络结构。聚合物微球尺寸小、比表面积大,表面容易包覆纳米粒子,通过聚合物/纳米粒子复合微球可以在聚合物基体内构建三维有序的纳米填料网络结构。本文的研究目的在于以PI微球为基础开发一种既能避免对纳米填料进行改性,又能让纳米填料在PI基体中形成三维有序的网络结构的工艺路线来制备具有良好的导电性能和导热性能的PI复合材料。为此,本论文从PI微球的制备出发,主要从以下几个方面展开研究工作:首先以聚乙烯醇(PVA)为表面活性剂,通过沉淀法制备聚醚酰亚胺(PEI)微球。以光学显微镜和激光粒度仪为表征手段研究了PVA的添加方式、PVA配比、PEI浓度、搅拌速度、析出温度、析出方式等工艺条件对PEI微球的形貌、粒径大小及分布的影响。结合工艺条件探索的相关数据,描述了PEI/PVA/DMAc混合溶液的结构模型,并解释了PEI微球的形成机理。其次,制备了PEI/r-GO核壳结构复合微球,并以复合微球为原料制备了三维有序的PEI/r-GO复合材料。傅立叶转换红外光谱(FTIR)证明,PEI微球与氧化石墨烯(GO)之间存在较强的氢键相互作用。拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)表明r-GO已经被包覆到PEI微球表面。差示扫描量热分析(DSC)和热失重分析(TGA)显示PEI/GO和PEI/r-GO拥有良好的热学性能。模压成型时,r-GO会在PEI基体形成三维有序的r-GO网络结构。三维有序的r-GO网络结构赋予了PEI/r-GO复合材料良好的导电性能和导热性能。导电渗滤阀值低至0.15 vol%,当r-GO含量为2 wt%时,电导率达到1.4×10-2 S/m。导热系数在r-GO含量为2 wt%时也高达0.26 W/mK,比纯PEI树脂提高了50%以上。最后,制备了PEI/h-BN复合微球以及含有三维有序网络结构的PEI/h-BN复合材料。SEM图像显示h-BN紧贴在PEI微球表面,界面之间存在较强的相互作用力。h-BN包覆到PEI微球表面上之后会提高PEI微球的Tg和热稳定性。X射线衍射(XRD)数据及SEM图像显示,热压成型后h-BN在PEI基体中形成了沿网络通路取向排列的三维有序网络结构。特殊网络结构的存在会极大的提高PEI/h-BN复合材料的导热性能。在h-BN添加量为50 wt%时,复合材料的导热系数为1.269 W/m K,而通过溶液复合制备的复合薄膜导热系数仅仅为0.681W/m K。300oC高温热处理1 h后PEI树脂会浸润h-BN粒子,阻断h-BN粒子间的相互接触,破坏h-BN的网络结构,导致材料的导热系数降低。当h-BN添加量为50 wt%时,经过热处理后PEI/h-BN复合材料的导热系数降低到了0.816W/m K。