聚酰亚胺/碳化硅纳米材料的制备及性能研究

摘要： 用原位聚合法制备了聚酰亚胺/SiC复合膜，SiC使用偶联剂（3-氨丙基-三乙氧基硅烷）改性，采用FT-IR、SEM、TGA等对杂化膜的化学结构和形态进行表征和分析。结果表明：偶联剂改性SiC成功，在含量为3%时，改性SiC在PI基体中分散效果比未改性SiC要好；偶联剂的加入对PI和SiC的结晶性能有少量影响，对PI复合膜的热稳定性几乎没有影响。

关键词： 聚酰亚胺 SiC 制备 表征

中图分类号：TQ31 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）14-0005-02

Preparation and Characterization of Polyimide/SiC Nanocomposite Thin Films

Chen Jun； Chen Jiangcong；He Guowen； Li Jun

（School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Abstract: A polyimide (PI) was synthesized from BTDA and ODA by two-shep method. SiC modified by APTES was used as fillers . PI composite films were prepared by in situ polymerization. The chemical structure and morphology ofcomposite films were characterizated by FT-IR、SEM and TGA.The results show that the SiC was modified by APTES successfully and the SiC was scattered better in PI matrix when the SiC content was 3%. The thermal stabilityofcomposite films were exhibited as good as that of pure PI.

Key words: polyimide；SiC；preparation；characterization

0引言

聚酰亚胺已广应用于航空航天、微电子、汽车制造等领域[1-2]。随着科技的发展，高技术领域里需要具有更高的模量和强度以及耐更高温度的新型材料，对材料的性能提了更高更为严格的要求。SiC具有良好的介电性能、耐高温特性、较高的热传导率广泛应用于高温结构工程领域，但与有机聚合物的相容性差[3]。纳米SiC颗粒在生产和运输过程中表面会被污染，为防止其团聚，往往在其表面涂覆一些有机或无机物以形成防护层。如直接用它进行实验，会引进不必要的杂质，影响包覆效果。因此在使用前，需对纳米SiC颗粒进行表面改性。SiC微粉表面改性的方法主要有酸洗提纯法、无机改性法和有机改性法等，其中有机改性法是目前主要采用的方法[3-4]。为了改善纳米碳化硅在聚酰亚胺基体当中的分散性和长期储存效果，本文采用硅烷偶联剂对纳米碳化硅表面进行有机改性，增强纳米碳化硅与基体的作用，使其在基体中较均匀的分散和利于长期储存。

1实验部分

1.1 原料二苯甲酮四羧酸二酐（BTDA，纯度99.8%，北京马尔蒂科技），二氨基二苯醚 （ODA，纯度98%，上海嘉辰化工），N,N’-二甲基乙酰胺（DMAc，AR，国药集团化学试剂公司），3-氨丙基-三乙氧基硅烷（ATPS，江汉精细化工），纳米SiC（99%，合肥开尔科技）。

1.2 偶联剂改性纳米SiC的制备称取一定量的纳米SiC置于20ml95%的乙醇溶液中，滴加2～3滴偶联剂，使偶联剂质量分数为2%[5]，超声30min。然后将其放在水浴锅中，在70℃条件下回流4h。待完成后，用无水乙醇抽滤、洗涤数次。将产物在中空干燥箱，60℃下烘干，收存待用。图1左图为由偶联剂改性的SiC示意图。

1.3 聚酰亚胺/SiC复合膜的制备将一定量的ODA加入到已超声30min，分散均匀的SiC/DMAc液中，搅拌使ODA完全溶解，在室温和Ar保护下分批加入适量的BTDA。反应24h后，在玻璃片上流延成膜并热亚胺化（梯度升温至280℃）[6]。

1.4 测试与表征红外表征采用美国NICOLET 6700红外光谱仪，范围为400-4000cm-1。样品形貌采用扫描电子显微镜（美国，FEI SIRION 200）进行分析，碳化硅纳米粒子直接喷金观察，薄膜在液氮中脆断，断面喷金观察。热重分析（TGA）采用NETZSCH DSC 200 F3热重分析仪，升温速率10℃・min-1，Ar保护。

2结果讨论与分析

2.1 复合薄膜的FT-IR分析图1中右图曲线a，b分别为3 wt%未改性和改性SiC的PI复合物的红外光谱图。在1780cm-1，1720cm-1分别为芳香酰亚胺中CO键的不对称和对称吸收， 718cm-1为CO键的弯曲振动吸收，1500cm-1为苯环特征吸收峰。曲线a中1378cm-1为环状―O―Si―C―Si―的特征吸收峰。SiC的加入没有改变PI基体的化学结构。

2.2 SEM表征纳米SiC的分散度图2为含量均为3wt%的未改性（a）和改性SiC（b）的PI薄膜断面扫描电镜图。如图2，与（a）相比，（b）中SiC颗粒小且基本没有团聚现象，分布更均匀。说明偶联剂使SiC在基体中的分散性得到改善[7]。

2.4 复合膜的TG分析图3为PI/SiC复合膜的TG图，由图可知，三种复合膜在460℃前基本没有质量和热效应变化，偶联剂没有影响其热稳定性。但随SiC的增加，热稳定性提高，这是由于Si―C键的键能极高，随含量增加，网络结构致密，自由体积减少，故稳定性能高。

3结论

SiC在95%乙醇溶液中被偶联剂改性成功，改性SiC在PI基体中有很好的分散性。红外分析表明SiC没有破坏PI基体的结构，热重分析表明SiC对复合膜的热稳定性没有影响，复合薄膜保持了很好的热性能。

参考文献：

[1]H.Wang，W.Zhong，P.Xu，etc.Macromolecular Materials and Engineering 289（2004）.793.

[2]J.Wu et al.European Polymer Journal 41（2005）.73.

[3]崔升，沈晓冬，肖苏等.纳米碳化硅的表面改性和分散性研究[J].精细化工，2008，25（4）：318-320.

[4]Bangkun Jin，Pingsheng He，Yongning Sheng，etc.The growth mechanism of SiC film from polyimide LB film[J].Journal of Physics and Chemistry of Solids，2003，（64）：339-342.

[5]吉晓莉，郑彩华，魏磊等.氨基硅烷偶联剂表面改性SiC微粉的研究[J].化学与生物工程，2008，1（25）：21-23.

[6]杨阳，吕磊，刘立柱.聚酰亚胺/二氧化硅-二氧化钛杂化薄膜的制备与表征[J].绝缘材料，2007，40（2）：4-6.

[7]张明艳，陈安营，牛颖.影响聚酰亚胺/二氧化硅纳米杂化薄膜聚集态结构的因素[J].绝缘材料，2007，40（5）：1-3，7.