PAA短链处理纳米粒子改性PI薄膜的介电性能

范勇++谢艳红++赵伟++杨瑞宵++陈昊

摘要：制备理论平均聚合度不同的聚酰胺酸短链分子用来处理纳米粒子，把经过处理的纳米分散液与高聚合度聚酰胺酸溶液纳米掺杂，再用流延法制得改性的纳米复合聚酰亚胺薄膜.通过介电谱、电导电流和耐电晕测试，研究不同聚合度聚酰胺酸短链分子处理纳米粒子对PI薄膜介电性能的影响.结果表明：随着聚酰胺酸短链分子理论平均聚合度的增加，复合薄膜介电系数逐渐增大，介电损耗逐渐变小，电老化闽值逐渐增大，在试验调整范围内，复合薄膜的耐电晕寿命随着聚酰胺酸短链分子理论平均聚合度的增加逐渐减小，但是变化幅度不太大，且均高于未用聚酰胺酸短链分子处理的薄膜.

关键词：聚酰胺酸短链分子；介电性能；载流子陷阱

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.011

中图分类号：TM215.3

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0056-05

0 引言

聚酰亚胺薄膜因具有优异的介电性能被广泛应用于机电产品.长期以来，通过纳米粒子掺杂的方法进行改性，研究其对薄膜介电性能的影响，受到人们的普遍关注.其中研究方法主要有：引入偶联剂改性纳米粒子与有机基体间的界面；对纳米粒子表面进行修饰；在纳米粒子表面引入适当的基团等.本文通过制备理论平均聚合度不同的聚酰胺酸（PAA）短链分子对纳米氧化物分散液预处理，冉与聚酰亚胺纳米复合制成薄膜，对薄膜进行介电潜、电导电流和耐电晕测试，由测试结果分析PAA短链分子的理论平均聚合度大小对复合薄膜介电性能的影响，考察材料的结构与介电性能的关系.

1 实验及测试

l.1 纳米粒子的处理及PAA短链分子用量的确定

PAA短链处理纳米粒子的方法为：调整原料二胺（ODA）和二酐（PMDA）的配比分别为10：9、20：19、30：29、40：39，通过溶液缩聚制得理论平均聚合度相对不同的PAA短链分子，再加入2当量的苯酐（PA）封端.二胺与二酐生成聚酰胺酸的反应活性很大，当二酐的用量低于等当点2%时，它们之间在低于室温下就可以完全反应，所以，PAA短链分子按照原料配比计算得到的聚合度与理论值应该基本一致，当原料配比分别为10：9、20：19、30：29、40：39时，其理论平均聚合度的计算值分别为10、20、30、40.

另外，通过微乳化一热液法制备纳米铝氧化物的分散液，在纳米分散液中加入一定量的低聚合度聚酰胺酸，升温至80℃，保温20min，然后再升温至110℃，使PAA短链分子与纳米粒子表面的活性基团反应，目.本身发生部分亚胺化反应，进而包覆在纳米粒子表面.再与高聚合度聚酰胺酸溶液纳米掺杂，制得纳米杂化的聚酰胺酸胶液.纳米铝氧化物分散液的透射电镜表征结果如图1所示.

由图1可知，纳米粒子尺度约为10nm.如果所有PAA短链分子在这个过程中全部都包覆在纳米粒子上，由理论估算，当PAA短链分子用量为无机物质量一半时，纳米粒子表面平均可覆盖2层低聚合度聚酰胺酸.不同聚合度PAA短链分子的包覆概率相同，但如果PAA短链分子的平均聚合度不同，两相之间的界面结构就相应可能存在差异，对薄膜的介电性能将会有不同程度的影响.

1.2 纳米掺杂聚酰亚胺薄膜试样制备

把上述纳米杂化的聚酰胺酸胶液制成厚度为25μm的薄膜，编号1#、2#、3#、4#的薄膜试样分别对应其中的纳米粒子用理论平均聚合度为10、20、30、40的PAA短链分子处理，另制得未用PAA短链分子处理纳米粒子的纳米杂化聚酰亚胺复合薄膜做参照试样，编号为5#.以上所有试样纳米粒子掺杂量均为20%.

1.3 测试

介电谱测试：利用Novel Control型宽频介电谱测试仪，室温下测得薄膜的介电系数、介电损耗、电导率，测试频率范围为l0²～10⁵5Hz，测试温度为室温.

电导电流测试：测试时所加电压为直流电压，起始电压为0.25kV（试样厚度25μm，平均场强10kV/mm），升压间隔为0.25kV，直至2kV（平均场强80kV/mm），记录每次加压1h后的电流，

耐电晕测试：室温、工频50Hz测试，电极系统按IEC-60343标准，为圆柱对平板型电极，施加在试样上的场强为80kV/mm.

2 结果与分析

2.1 介电谱分析

图2为复合薄膜介电系数随频率变化曲线，频率范围为l0²～10⁵Hz.图中标出理论平均聚合度为10、20、30和40的PAA短链分子处理的复合薄膜介电系数随频率变化曲线，并以未经PAA短链分子处理的5#曲线作为参照.在PAA短链的理论平均聚合度小于40的范围内，复合薄膜的介电系数随着聚合度增大逐渐增加.因聚酰胺酸分子链相对刚性较大，所以聚合度越低，较短的分子链对纳米粒子的包覆更紧密，从而使两相界面间的化学键接结构被限制，不利于界面极化的建立，且由于包覆紧密，纳米粒子表面极性基团的取向受到限制，偶极子转向极化相对不易建立，使薄膜介电系数下降，所以随着PAA短链分子理论平均聚合度增加，薄膜的介电系数增大.

图3为复合薄膜介电损耗随频率变化曲线，频率范围l0²～10⁵Hz.

图4为复合薄膜的电导率随频率变化曲线，频率范围l0²～10⁵Hz.

由图3可以看出，随着频率增加，薄膜介电损耗先逐渐减小后逐渐增大，在l0³～10⁴Hz之间出现最低值，在接近10⁵Hz时，随着PAA短链分子理论平均聚合度的增加，薄膜介电损耗逐渐减小.