二氧化硅改性热固性聚酰亚胺介电性能研究

二氧化硅改性热固性聚酰亚胺介电性能研究

李芳亮,陈宇飞,白孟瑶,李世霞,范

勇

(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨

150040)

摘要:以甲基三乙氧基硅烷为无机前驱体制取二氧化硅,并合成了二氧化硅改性热固性聚酰亚胺复合材料。利用美国A gilent 4294A 型精密介电频谱仪测定材料的介电常数( )和介质损耗因数(tan ),用自制的耐电晕测试设备测试了耐电晕时间,采用CS2674C 配套耐压测试仪测试了其介电强度,以及漆膜附着力。结果表明,随着无机二氧化硅掺杂量的增加,介电常数和介质损耗因数都呈上升趋势,介电强度均高于有机硅浸渍漆标准(JB/T 3078-1999);当二氧化硅掺杂4%时,耐电晕时间为36.8h,是掺杂前的7.3倍,附着力良好,为一级。关键词:二氧化硅;热固性聚酰亚胺;介电性能中图分类号:T M 215.1;TM 201.44

文献标志码:A

文章编号:1009-9239(2009)05-0041-04

Stud y on the Dielectric Pro p erties

of Thermosettin g Pol y imide Modified b y Silica

LI Fan g _lian g ,CHEN Yu_fei,BAI Men g _y ao,LI Shi_xia,FAN Yo n g

(Col le g e o f M aterial s Science &En g i neeri n g ,

H arbin Univ er sit y o f Science &T echnolo gy ,H ar bi n 150040,China )

Abstract :Methyl triethoxysilane was used as ino r ganic precursor to prepar e silica and co mposite materials of thermosetting PI modified by silica(SiO 2/PI)were synthesized.The dielectr ic constants ( )and dielectr ic loss(tan )o f the composites were measured using dielectric spectr o meter (A g ilent4294A);the co r ona _r esistant life was tested with self_made e q ui p ment;and the breakdown stren g th and adhesion of the com p osites were measured,res p ectivel y .The results sho w that the dielectric constants and dielectric loss increase with the incr ease of silica content;and the break down str en g th is hi g her than the standard of JB/T 3078_1999.When the content of silica is 4wt%,the corona _resistant life is 36.8h and is 7.3times higher than that of the pre_doping material;the adhesion of the compo site material is in the first grade.

Key words :silica;thermosetting polyimide(PI);dielectric properties

收稿日期:2009-05-05

基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(E 2007-33)

作者简介:李芳亮(1984-),男,黑龙江人,硕士生,研究方向为材料学高分子,(电子信箱)37723477@ ;陈宇飞(1963-),女,黑龙江人,副教授,博士,主要从事新型绝缘材料的合成及复合材料结构表征的研究。

1前言

聚酰亚胺(PI)是重复单元中含有酰亚胺环的芳杂环高聚物,由于具有优越的热性能、电性能和力学性能而被广泛的应用于航空、航天、核电和微电子等领域[1-2]。随着社会和科技的发展[3-4],PI 作为浸渍漆、胶粘剂的应用,需求量越来越大,对其性能的要求也越来越高,其研究也越来越深入[5]

。以甲基三乙氧基硅烷为无机前驱体制备了二氧化硅,并通过溶胶 凝胶法合成了二氧化硅掺杂改性热固性聚酰亚胺复合材料,对材料的介电性能、耐电晕性

能、击穿场强、热力学性能及附着力等进行了测试。

2实验

2.1试剂

3,3 -二乙基-4,4 -二胺基二苯甲烷(DEDADPM ):工业品,直接使用,江阴合成材料有限公司;均苯四甲酸二酐(PM DA):工业品,使用前研细180 下经4h 烘干处理,常熟市化工有限公司;N,N-二甲基乙酰胺(DM Ac):工业品,使用前经减压蒸馏提纯处理,上海试剂三厂;纳迪克酸酐(NA):化学纯,直接使用,上海佳强化工有限公司;甲基三乙氧基硅烷(M T EOS):化学纯,直接使用,北京百灵威化学技术有限公司。2.2复合材料制备

将一定量的DEDADPM 、DM Ac 加入三口瓶

中,待搅拌均匀,向该体系中按比例加入M TEOS 和蒸馏水,在80~90的条件下冷凝回流6h,使MT EOS在该体系中水解为二氧化硅。自然冷却后向其加入定量的PM DA,随着加入量的增加溶液粘度增大,反应1h后加入封端剂纳迪克酸酐(NA),搅拌12h,其中DEDADPM、PM DA、NA的摩尔比为20!19!2。用400目的不锈钢网过滤胶液并在真空干燥箱中常温抽真空以除去胶液中的气泡。将处理好的胶液用流延铺膜机在洁净的玻璃板和钢板上铺膜,置于烘箱中梯度升温固化,制备成厚度均匀的热固性聚酰亚胺杂化材料,固化温度为:80 /1h+120/1h+180/1h+220/1h。本文分别制备了无机物掺杂量为0.1%,2%,3%,4% (质量分数)的一系列杂化材料。

2.3性能测试

采用Perkin-Elm er T GA7热分析仪对材料的热力学性能进行了分析;采用A g ilent4294A型精密阻抗分析仪对材料的介电常数和介质损耗因数进行了测试;采用CS2674C型耐压测试仪测试了材料的介电强度;用自制的耐电晕测试设备测试了材料的耐电晕时间;用附着力测试仪测试了漆膜的附着力等级。

3结果与讨论

3.1耐热性能

称取10~15mg样品,用Per kin-Elmer T GA 7热分析仪进行热稳定性分析。在N2气氛下,由200升温到800,升温速率为20/min。表1是SiO2不同掺杂量材料的热分解温度。由测试结果可知:随着无机掺杂量的增加,材料的热分解温度呈单调上升趋势,当纳米SiO2质量分数为4%时,比掺杂前提高了3.04,表明在聚合物基体中掺杂具有较高热稳定性的二氧化硅,在一定程度上提高了聚酰亚胺的热稳定性,但由于掺杂量较少热分解温度提高的并不显著。

表1复合材料的热分解温度

3.2介电性能

采用A g ilent4294A型精密阻抗分析仪测试复合材料的介电常数和介质损耗因数。测试温度:室温,频率:100H z~100kH z。样品为在不锈钢板上的固化材料,尺寸为45m m∀45mm的试样,双面铺有铝箔。

图1是复合材料的介电常数( )在不同频率下随无机组分掺杂量变化曲线。可以看出,复合材料在102H z~105H z测试频率范围内,介电常数随着无机掺杂量的增加呈现上升趋势,当SiO2质量分数为2%时,出现极大值。而同一种复合材料随频率的增加,相对介电常数略有减小。无机掺杂材料的相对介电常数明显大于未掺杂材料的原因:一方面是由于加入的无机组分相对于有机物具有较高的介电常数,同时受界面极化的影响,复合材料的界面中存在大量悬挂键、空位、空位团以及空洞等缺陷,引起电荷在界面中分布的变化,在电场作用下,正负电荷分别向正负极移动,电荷运动的结果是在界面的缺陷处聚集,形成界面双电层,即界面电荷极化,界面极化可以导致复合材料具有较高的介电常数。但SiO2质量分数为2%时出现的极大值,原因还不确定。

图1复合材料的介电常数曲线

图2是不同无机组分掺杂量的复合材料的介质损耗因数(tan )随频率的变化曲线。

图2复合材料的介质损耗因数曲线