聚酰亚胺基石墨膜的制备与结构、传导性能的关联性研究

发布时间：2017-08-16 04:23

  本文关键词：聚酰亚胺基石墨膜的制备与结构、传导性能的关联性研究

  更多相关文章： 聚酰亚胺 石墨化 分子量 去溶剂 预化 拉伸

【摘要】：由聚酰亚胺(PI)为前驱体制备的聚酰亚胺基石墨膜材料由于既具有传统炭材料密度低、耐高温、耐腐蚀且高强高模等特点,又具有优异的传导性能,成为了解决电子器件、航天飞行器等先进工业领域散热问题的优良材料。目前,以国外PI薄膜烧制的炭膜电导率超过6.5×103S/m,石墨膜的电导率达到2×105S/m,导热率超过1500W/m-K。而国产的聚酰亚胺薄膜受热收缩不均,烧制的石墨膜质量差,传导性能低,难以满足工业需求。本文通过改变PI薄膜合成过程中的工艺条件,观察了薄膜合成与定型过程对PI基石墨薄膜结构与性能的作用。首先通过改变均苯四甲基二酐(PMDA)与二氨基二苯醚(ODA)投料比合成聚酰胺酸溶液,采用GPC等测试方法研究了聚酰胺酸(PAA)分子量的大小以及分布对PI基炭膜形貌及导电性能的影响。其次,通过元素分析等方法研究了去溶剂处理时间对PI薄膜及PI基炭膜、石墨膜结构及性能的影响；然后,通过DMA等研究了预炭化温度对PI薄膜的影响和对石墨膜传导性能的影响。最后,通过分析各类材料的性能特点,研究了PI薄膜制备过程中的拉伸条件对薄膜性能及PI基石墨薄膜结构与性能的影响。结果表明：(1)合成高分子量且分布越窄的聚酰胺酸有利于聚酰亚胺薄膜耐热性能的提高,也利于高传导性能的石墨膜的制备。但由于任一单体过量后都会对所得材料产生较大影响,因此通过改变单体投料比的方法进行控制聚酰胺酸的分子量不利于高质量薄膜的制备。当投料比为1.01：1时,获得产物Mw为2.12×106,分散度为2.11;此时材料的热分解温度为588℃；所得聚酰亚胺材料在炭化后表面缺陷明显较少,所得炭膜导电率为7.18× 103S/m,石墨薄膜导电率最高为2.98×104S/m。(2)去溶剂化处理不会改变聚酰亚胺薄膜的化学结构,但随着去溶剂处理时间延长,聚酰胺酸胶质薄膜中残余溶剂含量降低,在酰亚胺化过程中溶剂对聚酰亚胺大分子链的增塑作用下降,在相同的热酰亚胺化处理温度下,材料的酰亚胺化程度降低,材料的热稳定性能降低。而适当的去除溶剂处理,可以降低薄膜内部杂质含量有利于减少石墨膜中的缺陷,有助于制备光滑平整的PI基炭膜,去溶剂时间为6h时,所得石墨薄膜的导电率最大,为4.63×104S/m。(3)预炭化处理可以有效提高材料的酰亚胺化程度,有利于材料在高温炭化(石墨化)过程中提高有序度,向规整的晶态石墨结构转变。但过高的预炭化温度导致材料发生热氧化分解及交联反应,破坏聚酰亚胺结构,则材料经石墨化后所得石墨膜有序度降低。经400℃预炭化处理后所得石墨膜d002峰接近石墨单晶尺寸。此时,PI基炭膜导电率为9.24×103S/m,石墨薄膜导电率为27.78×104S/m。(4))对双向拉伸薄膜进行预炭化处理可以有效提高薄膜热稳定性能,及力学性能,同时有利于石墨膜导电性能的提高。经双向拉伸的薄膜拉伸强度提高18.69%,断裂伸长率提高36.58%,弹性模量提升2.86%。日产薄膜经石墨化后导电率可达到41.67×104S/m,而国产薄膜在相同的石墨化处理工艺下,导电率相差25.94%。
【关键词】：聚酰亚胺 石墨化 分子量 去溶剂 预化 拉伸
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ323.7;TB383.2
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 聚酰亚胺简介16-20
• 1.1.2 聚酰亚胺发展概述17-20
• 1.2 聚酰亚胺薄膜制备工艺20-22
• 1.2.1 聚酰亚胺合成20-22
• 1.2.2 聚酰亚胺薄膜的成型工艺22
• 1.3 聚酰亚胺薄膜碳化、石墨化工艺22-29
• 1.3.1 炭材料简介22-23
• 1.3.2 聚酰亚胺薄膜碳化研究历程23-27
• 1.3.3 聚酰亚胺薄膜石墨化研究历程27-28
• 1.3.4 存在的问题28-29
• 1.4 本文的研究内容与意义29-32
• 第二章 实验部分32-38
• 2.1 实验材料32-34
• 2.2 实验及表征方法34-38
• 2.2.1 薄膜工艺路线34
• 2.2.2 化学结构分析34-35
• 2.2.3 热行为分析35
• 2.2.4 力学性能分析35
• 2.2.5 晶体结构分析法35-36
• 2.2.6 材料形貌分析36
• 2.2.7 传导性能分析36-38
• 第三章 分子量对PI基石墨薄膜结构、性能影响38-50
• 3.1 前言38
• 3.2 实验部分38-39
• 3.2.1 实验方法38-39
• 3.2.2 测试与表征39
• 3.3 结果与讨论39-47
• 3.3.1 聚酰胺酸的分子量及其分布39-42
• 3.3.2 PI膜的TG分析42-44
• 3.3.3 PI基碳膜的XRD分析44-45
• 3.3.4 PI基炭膜的形貌分析45-46
• 3.3.5 PI基碳膜、石墨膜传导性能46-47
• 3.4 小结47-50
• 第四章 去溶剂化处理对PI基石墨薄膜的影响50-62
• 4.1 前言50-51
• 4.2 实验部分51
• 4.2.1 实验方法51
• 4.2.2 测试与表征51
• 4.3 分析与结论51-60
• 4.3.1 PI薄膜红外分析51-52
• 4.3.2 去溶剂过程分析52-54
• 4.3.3 PI薄膜DMA分析54-57
• 4.3.4 PI基碳膜XRD分析57-58
• 4.3.5 PI基碳膜的形貌分析58-59
• 4.3.6 PI基炭膜、石墨膜性能分析59-60
• 4.4 小结60-62
• 第五章 预碳化处理对PI基石墨薄膜性能影响62-74
• 5.1 前言62
• 5.2 实验部分62-63
• 5.2.1 实验方法62-63
• 5.2.2 测试与表征63
• 5.3 分析与讨论63-72
• 5.3.1 PI薄膜的DMA分析63-65
• 5.3.2 PI薄膜的红外分析65-66
• 5.3.3 PI薄膜的力学性能66-67
• 5.3.4 PI基碳膜、石墨膜的XRD分析67-69
• 5.3.5 PI基碳膜表面形貌分析69-71
• 5.3.6 PI基碳膜、石墨膜传导性能71-72
• 5.4 小结72-74
• 第六章 薄膜结构及性能对比分析74-84
• 6.1 前言74
• 6.2 实验部分74-75
• 6.2.1 试验方法74-75
• 6.2.2 测试与表征75
• 6.3 分析与讨论75-83
• 6.3.1 PI薄膜的红外分析75-76
• 6.3.2 PI薄膜的DMA分析76-77
• 6.3.3 PI薄膜的TG分析77-80
• 6.3.4 PI基碳膜的XRD分析80-81
• 6.3.5 PI基炭膜的形貌分析81-82
• 6.3.6 PI薄膜的力学性能82-83
• 6.3.7 PI基碳膜、石墨膜传导性能83
• 6.4 小结83-84
• 第七章 结论84-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 研究成果及发表的学术论文92-94
• 作者和导师简介94-96
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书96-97

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