利用溶胶-凝胶法制备聚酰亚胺/无机纳米颗粒杂化膜外文翻译资料

 2022-07-29 16:44:00

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

文献翻译

利用溶胶-凝胶法制备聚酰亚胺/无机纳米颗粒杂化膜

哈尔滨理工大学，材料科学与工程学院，哈尔滨150040，中国;

哈尔滨理工大学，电气与电子学院，哈尔滨150040，中国.

投稿日期：2005.05.07；录用日期：2005.12.10.

摘要：本研究首先利用溶胶-凝胶法制备聚酰亚胺/无机二氧化硅-氧化铝纳米颗粒杂化薄膜，以求寻找一种能够提高材料热性能和其他性能的理想方法。分别将四乙氧硅烷（TEOS）和异丙醇铝（AIP）掺杂在聚（酰胺酸）溶液中来制备二氧化硅溶胶和氧化铝溶胶。利用逐步加热的方法获得杂化膜。薄膜的结构，微观形态，热性能分别通过傅立叶变换红外（FTIR）,扫描电子显微镜（SEM）,热重分析（TGA）进行测试分析。显微图像显示出薄膜中均匀分散含有二氧化硅和氧化铝的球状颗粒。聚酰亚胺/二氧化硅杂化膜的显微图像显示出颗粒的球形度和分散的均匀度。 Al2O3分散不良，容易在聚酰亚胺/二氧化硅杂化膜中发生凝聚。此外，在杂化膜中，有机与无机相之间还存在化学键联结。通过添加二氧化硅和氧化铝纳米颗粒，杂化膜的热分解温度也得到了显著的提高。

关键词：聚酰亚胺，纳米二氧化硅，纳米氧化铝，溶胶-凝胶法。

绪论

近年来，随着人们对材料科学的关注，纳米复合材料也得到了越来越多的关注。因此，生产出了许多种类的纳米颗粒杂化膜材料，它被称为继单一成分材料，复合材料，功能梯度复合材料之后的第四代材料。聚酰亚胺作为一种工程材料，已经广泛应用于航空航天，微电子，液晶，电气绝缘材料等工业领域。聚酰亚胺由于具有较高的玻璃化转变温度和热稳定性，因此认为它可以降低纳米团簇的流动性，阻止纳米团簇进一步聚集成大团簇，从而提高纳米团簇的稳定性。从电气绝缘的角度来看，无机纳米颗粒的掺入将会明显提高聚酰亚胺的抗电晕能力。

在无机/有机杂化物的研究中，聚酰亚胺/二氧化硅杂化膜得到了人们特别的关注。由于Kakimoto利用溶胶-凝胶法成功制备了聚酰亚胺/二氧化硅杂化材料，该领域得到了越来越多的关注。最近，又分别制备出了含有金属成分的聚酰亚胺/二氧化钛杂化材料和聚酰亚胺/粘土杂化材料。但是，得到广泛应用的制备方法还是将单一无机成分的材料掺杂进聚酰亚胺基体制备杂化材料。由于很难控制无机和有机两部分之间的相分离，所以在聚酰亚胺基体中很难掺杂进两种不同的无机成分。至今为止，关于掺杂进两种成分的聚酰亚胺杂化物，只有一些关于聚酰亚胺/二氧化钛-二氧化硅杂化物的报告。本文作者在先前的工作研究中，利用超声机理法和溶胶-凝胶法制备出了聚酰亚胺/二氧化硅杂化膜，发现聚酰亚胺/二氧化硅杂化膜比一般的聚酰亚胺薄膜具有更高的抗电晕性。与超声机理法相反，溶胶-凝胶法提高了无机和有机组分之间的相容性。在这篇论文中，作者报告了利用溶胶-凝胶法制备聚酰亚胺/无机纳米颗粒杂化膜的制备方法。根据正常的顺序，将二氧化硅和氧化铝溶胶分散在聚（酰胺酸）溶液中。对于这种利用新方法制备的聚酰亚胺/无机纳米颗粒复合材料，通过傅立叶变换红外（FTIR），扫描电子显微镜（SEM）,热重分析（TGA）来进行研究测试。在聚酰亚胺/二氧化硅-氧化铝（PI/SiO2– Al2O3）杂化膜中可以观察到均匀分布的球棍状颗粒。在杂化膜中，有机部分和无机网络之间存在相互作用。此外，PI/SiO2-Al2O3杂化膜的热分解温度也得到了提高。

实验部分

实验原料

实验前，将均苯四甲酸二酐（PMDA）和4,4#39;-二氨基二苯醚（ODA）进行升华提纯；在减压的条件下对二甲基乙酰胺（DMAC）进行蒸馏；四乙氧基硅烷（沈阳第三试剂厂），无需进一步纯化即可使用；异丙醇铝，浙江新昌化工有限公司。

实验步骤

二氧化硅溶胶的制备

二氧化硅溶胶通过TEOS的水解和缩合进行制备，制备过程如下：

将盐酸(0.4 mL, 37 wt%)加入蒸馏水(6 mL, 0.333 mol)中，然后将此溶液与含有TEOS (34.52g, 0.166 mol)的DMAC溶液(3.344 g, 0.0384 mol)混合，然后在80℃下搅拌一小时，即可绿色透明的二氧化硅溶胶。

氧化铝溶胶的制备

将异丙醇铝（6.12g，0.0300mol）溶于蒸馏水中（59.6mL，3.300mol），在85-95℃的水浴中加热，将适量的硝酸（0.5mL，67wt％）滴加到其中以改善水解过程。混合物在均匀搅拌下形成稳定的透明溶胶。

混合溶液的制备

聚（酰胺酸）（PAA）由适量的PMDA和ODA在DMAC溶液中合成，PAA溶液的固含量为10wt%。

含有二氧化硅和氧化铝的聚合物前驱体的典型合成路线如下：将ODA（2.74g，0.01370mol）加入250mL三颈烧瓶中，并加入适量的DMAC。在ODA完全溶解后，一段时间后将PMDA（3.06g，0.01404mol）加入到该溶液中，将混合物搅拌，得到黄色PAA溶液。按照正确的顺序，将二氧化硅和氧化铝溶胶（或二氧化硅溶胶，或氧化铝溶胶）加入到PAA溶液中，然后将混合物搅拌十小时，以形成均匀的二氧化硅-氧化铝前驱体/PAA(或二氧化硅前驱体/PAA，或氧化铝前驱体/PAA)溶液。

杂化膜的制备

通过在玻璃板上浇注PAA溶液或二氧化硅-氧化铝前驱体/PAA（或二氧化硅前驱体/PAA，或氧化铝前驱体/PAA）溶液来制备薄膜。然后在不同温度下逐步加热聚合物（80℃1h，120℃1h，180℃1h,220℃1h，300℃2h）。冷却至室温后，即可获得无机填料含量为4wt%的PI/SiO2–Al2O3 (或 PI/SiO2， 或PI/Al2O3) 杂化膜。在蒸馏水中，很容易将这种黄色透明薄膜取下来。所有杂化膜最后用丙酮进行清洗。图1显示出合成聚酰亚胺的分子结构。

图1：合成聚酰亚胺的分子结构

杂化膜的表征

FTIR利用红外线光谱经傅立叶变换进而分析薄膜的光谱分析仪器。在四个波数的分辨率下，采集时间间隔为1分钟。将杂化膜在300℃下干燥12小时。使用FEI Sirion扫描电子显微镜对涂覆金的样品进行扫描电子显微镜（SEM）测试。Pyris 6热分析系统用于热重分析（TGA），样品在氮气气氛中以20℃/min的升温速率从室温加热至800℃。

结果与讨论

C

FTIR光谱分析

聚合物基体的化学结构通过FTIR光谱法分析。图2（a）显示了没有掺杂物的聚酰亚胺膜的红外光谱。在1776,1715和719cm 1的吸收谱线分别是对称的和不对称的，显示出C=O官能团的变形波动。吸收峰在1369cm 1表明存在C-N-C键。另外，酰胺羰基高峰在1650cm 1消失显示出完全酰亚胺化的聚酰亚胺。在800-1100cm 1出现的吸收峰，分别对应线型和循环结构的Si–O–Si 键（图2（b））[25]。此外，峰值出现在1305cm 1表明无机和有机相之间存在化学键。PI / Al 2O3杂化膜（图2（c））的光谱中，1596cm 1位置处出现的峰是Al-O-Al键的特征[26]。在1013cm 1处出现吸收峰，表明两相之间形成了化学键联结。图2（d）显示了PI / SiO-Al 2O3杂化膜的红外光谱。与图2（a） - （c）相比，不同的是在频谱中出现了1454,1554和1860cm 1的新峰，在其他三个样品的谱图中不存在这几个峰。这可能是因为存在Si-O-Al键。另外，在1013和1305cm 1处的峰通过两相的结合，移动到高波数的位置并得到加强。单相中的化学键由于两相之间相互作用的加强而减弱，从而出现新的键合方式。因此提高了杂化膜的性能。

图2：薄膜（无机组分4wt%）的FTIR光谱；（a）PI膜; （b）PI / SiO2杂化膜; （c）PI / Al2O3杂化膜; （d）PI / SiO2-Al2O3杂化膜。

扫描电子显微镜

不同杂化膜的扫描电子显微照片如图3-5所示。所观察的膜具有相同的纳米颗粒含量（4wt％）。这些分别是PI / SiO2杂化膜（图3），PI / Al2O3杂化膜（图4）和PI / SiO2-Al2O3（图5）杂化膜的显微图像。含二氧化硅的聚合物的扫描电子显微照片显示出均匀分布的球形小二氧化硅颗粒（图3），平均颗粒直径为50nm。在含氧化铝的聚合物中（图4），Al2O3颗粒为球形颗粒或颗粒簇且分散不良，直径40-200nm。如图5所示，膜的扫描电子显微镜照片显示出具有球棍状的颗粒，且其在膜上大体均匀分布。与图3和图4相反，很明显，掺杂二氧化硅和氧化铝无机颗粒的杂化膜显示出球形颗粒的分布尺寸小于90*400nm。与二元组成系统的形态不同，在三元杂化膜中，Si-O-Al键的形成改变了无机颗粒的尺寸和形状。含有二氧化硅和氧化铝颗粒的纳米颗粒可以看作是分别以硅羟基和铝羟基作为封端。此外，与羟基联结的二氧化硅和氧化铝易脱水，形成具有新键的纳米颗粒，这就揭示了聚酰亚胺基体中的球形颗粒出现的原因。另一方面，二氧化硅和氧化铝中出现羟基也可以归因于与聚酰亚胺中的羰基之间形成了氢键。因此，物理交联阻碍了无机纳米颗粒与聚酰亚胺基体形成杂化膜。

图3.PI / SiO2杂化膜（4wt％无机部分）的扫描电子显微镜照片

图4.PI / Al2O3杂化膜（4wt％无机部分）的扫描电子显微镜照片

图5.PI / SiO2-Al 2O3杂化膜（4wt％无机部分）的扫描电子显微镜照片

图6.膜的TGA曲线（4wt％无机部分）,（a）PI膜; （b）PI / SiO2杂化膜; （c）PI / Al 2O3杂化膜; 和（d）PI / SiO2-Al 2O3杂化膜

薄膜的热性能

图6显示了在N2中不同膜的典型热重曲线。结果涉及分解温度（Td），10％重量损失温度（T10％）和30％重量损失温度（T30％），数据总结在表1中。由图6可以看出，热重分析（TGA）温度达到450℃时，有少量的重量损失，这是因为吸附的水分损失导致的。然而，总体而言，质量和热效应是不变的，这表明杂化膜具有较高的耐热性能和分解温度。与一般的聚酰亚胺膜相比，掺杂纳米粒子的杂化膜分解温度升高。这可能是由于无机纳米粒子和聚合物基体之间的相互作用改变了其应力状态，主链的运动受到限制，柔顺性下降。不同薄膜的分解温度大致在582℃〜590℃范围内（表1）。对于热性质而言，掺杂二氧化硅和氧化铝纳米粒子的杂化膜优于掺杂单一纳米粒子的杂化膜。

表1.不同膜的分解温度

结论

图2.膜的FTIR光谱（4重量％无机部分）：（a）PI膜; （b）PI / SiO2混合膜; （c）PI / Al 2O3混合膜; 和（d）PI / SiO2-Al 2O3混合膜。

首先通过溶胶-凝胶法制备聚酰亚胺/无机二氧化硅 - 氧化铝纳米粒子杂化膜。根据FTIR和SEM的测试结果，由PI / SiO2-Al2O3杂化膜的显微照片显示出薄膜上均匀分布球形纳米颗粒。在PI / SiO2杂化膜中可以观测到颗粒的均匀分布和球形度。但在PI / Al2O3杂化膜中，Al2O3颗粒分散不良，容易聚集。在PI / SiO2-Al2O3杂化膜中，二氧化硅和氧化铝组分通过Si-O-Al键形成无机相。此外，在无机和有机相之间还有化学键联结。在填充二氧化硅和氧化铝纳米颗粒之后，杂化膜的热分解温度也得到提高。

致谢

本研究的财政支出由国家科学部基金会提供拨款（No.50137010）。

参考文献：

1. Nandi, Manish, Conklin, Jeanie A., Lawrence, Salvati, Jr., et al. (1991). Molecular Level

Ceramic/Polymer Composites Synthesis of Polymer Trapped Silica and Titania Nanocluster,

Chemistry of Materials, 3: 201–206.

2. Seebocka, R., Esroma, H., Charbonnier, M. and Romandb, M. (2001). Surface Modification

of Polyimide using Dielectric Barrier Discharge Treatment, Surface and Coatings Technology,

142: 455–459.

3. Wessa, T., Barieacute;, N., Rapp, M. and Ache, H.J. (1998). Polyimide, A New Shielding Layer

for Sensor Applications, Sensors and Actuators, 53(1–2): 63–68.

4. Kuntma

全文共9474字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[143415]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章