聚酰亞胺/ Al2O3摻雜薄膜熱老化壽命計(jì)算方法研究
2012-04-29 00:00:00周浩然柳長(zhǎng)富趙蕊崔曉禹孫安
湖南大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版 2012年9期
摘要：利用熱失重儀（TG）測(cè)定了Al2O3摻雜聚酰亞胺的熱穩(wěn)定性，采用Kissinger法和CoatsRedfern法計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)，預(yù)測(cè)雜化薄膜長(zhǎng)期使用的上限溫度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在空氣氣氛中的反應(yīng)級(jí)數(shù)大于氮?dú)鈿夥罩械姆磻?yīng)級(jí)數(shù)，且趨于二級(jí)反應(yīng).利用Kissinger法求出的E值低于CoatsRedfern法求出的E值，選取CoatsRedfern法求取相應(yīng)的碰撞系數(shù)(A)值后，預(yù)測(cè)雜化PI膜長(zhǎng)期使用的上限溫度在300 ℃左右，與文獻(xiàn)報(bào)道基本相符.結(jié)果表明CoatsRedfern方法是預(yù)測(cè)雜化PI材料長(zhǎng)期使用上限溫度的可靠方法之一.
關(guān)鍵詞：聚酰亞胺；氧化鋁；熱老化壽命；熱降解動(dòng)力學(xué)
中圖分類號(hào)： O63122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
隨著聚酰亞胺（PI）材料在電子設(shè)備、航空航天、化工等方面的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)其性能展開(kāi)深入的探究，由于無(wú)機(jī)Al2O3納米粒子的高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度等性能可以彌補(bǔ)有機(jī)材料性能上的不足，近年來(lái)廣大學(xué)者不斷地嘗試?yán)脽o(wú)機(jī)Al2O3納米粒子摻雜技術(shù)，通過(guò)有機(jī)相與無(wú)機(jī)相的鍵合作用來(lái)提高聚酰亞胺的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能.納米粒子實(shí)現(xiàn)性能提高的關(guān)鍵在于納米粒子在聚酰亞胺基體中良好的分散性.
目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于聚合物熱降解動(dòng)力學(xué)的研究方法很多， 但是總體來(lái)說(shuō)還是根據(jù)G X. Guar等人 \\[1\\]提出的動(dòng)力學(xué)三因子比較求解法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，首先用半衰期法求出反應(yīng)級(jí)數(shù)n，再利用Kissinger法\\[2\\]和CoatsRedfern法\\[3\\]求出活化能E和碰撞因子A，然后將熱分析法獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入到積分方程中進(jìn)行計(jì)算.
本文通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)納米粒子雜化的聚酰亞胺薄膜材料進(jìn)行熱重分析，利用熱降解理論、動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)等\\[4\\]，對(duì)聚酰亞胺薄膜熱老化壽命進(jìn)行估算，并對(duì)CoatsRedfern法和Kissinger法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在二者中選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法估算熱老化壽命.
由表4可以看出，隨著氧化鋁的加入，PI雜化薄膜在熱降解過(guò)程中隨著溫度的升高，部分溫度被氧化鋁吸收并傳到試樣皿和周圍環(huán)境中，阻止了由于溫度過(guò)高而產(chǎn)生的聚酰亞胺自身分解現(xiàn)象這說(shuō)明當(dāng)有機(jī)相與無(wú)機(jī)相之間達(dá)到完善的結(jié)合時(shí)，高分子復(fù)合材料的耐熱性也會(huì)隨之大幅度提高.但從圖表中可以發(fā)現(xiàn)，熱老化壽命溫度并非隨著氧化鋁的增加而提高，而是出現(xiàn)溫度降低的現(xiàn)象這是因?yàn)榘殡S著氧化鋁含量的增加，出現(xiàn)了納米粒子間的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得納米粒子在基體中的分散性降低，導(dǎo)致PI雜化薄膜的整體性能不一致，出現(xiàn)局部先發(fā)生熱降解及燃燒，而影響到整體的性能.
由表4還可以看出，氮?dú)鈿夥罩泻涂諝鈿夥罩袩崂匣瘔勖尸F(xiàn)出不規(guī)律的交錯(cuò)現(xiàn)象這是因?yàn)楦叻肿泳酆衔锎蠖鄶?shù)降解屬于熱氧化降解（即解聚、無(wú)規(guī)斷裂、基團(tuán)脫除等），而空氣中的氧氣分子會(huì)奪取芳環(huán)上的氫分子形成水，產(chǎn)生的游離基可以與另一個(gè)氧分子的攻擊結(jié)合形成過(guò)氧化游離基，兩個(gè)苯游離基復(fù)合形成穩(wěn)定的聯(lián)苯型交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)，熱氧化交聯(lián)現(xiàn)象的出現(xiàn)再次提高了聚酰亞胺的熱穩(wěn)定性.而在氮?dú)鈿夥障拢叻肿泳酆衔飫t只是單純的解聚和無(wú)規(guī)斷裂兩種降解反應(yīng).
3 結(jié) 論
眾所周知，純PI膜的耐熱等級(jí)為H級(jí)，即長(zhǎng)期使用溫度為180 ℃根據(jù)表4的預(yù)測(cè)值，PI/ Al2O3雜化薄膜的長(zhǎng)期使用上限溫度在300 ℃左右，可以看出摻雜Al2O3提高了PI膜的上限溫度相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)到，Kapton 100 CR長(zhǎng)期使用溫度為400 ℃，與本文預(yù)測(cè)值基本相符，這表明CoatsRedfern方法是預(yù)測(cè)材料長(zhǎng)期使用上限溫度的可靠方法之一.本研究為新材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中熱老化研究方面奠定了基礎(chǔ).
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