楊超永,郭金強(qiáng)证薇,王富玉度苔,張玉霞
(北京工商大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,北京 100048)
摘 要:概述了6種高性能樹(shù)脂——聚醚醚酮(PEEK)浑度、聚苯硫醚(PPS)寇窑、液晶聚合物(LCP)、聚醚酰亞胺(PEI)箩张、聚砜(PSF)和聚酰亞胺(PI)等的性能及應(yīng)用甩骏,詳細(xì)介紹了以這6種高性能樹(shù)脂分別為原料制備高性能薄膜的方法(擠出吹塑法完残、擠出流延法、溶液流延法等)和改性方法横漏,最后對(duì)不同高性能薄膜的應(yīng)用進(jìn)行了討論和展望谨设。
關(guān)鍵詞:聚醚醚酮;聚苯硫醚缎浇;液晶聚合物扎拣;聚醚酰亞胺;聚砜素跺;聚酰亞胺二蓝;薄膜;擠出吹塑指厌;擠出流延刊愚;改性
0 前言
根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),我國(guó)塑料薄膜產(chǎn)量逐年增加踩验, 2021年達(dá)16100kt鸥诽,其中農(nóng)膜2120kt、復(fù)合軟包裝薄膜5830kt箕憾、BOPP薄膜4350kt牡借;BOPET薄膜3200 kt、CPP薄膜1000 kt [1]袭异。如按年均增長(zhǎng)5 %計(jì)算钠龙,預(yù)計(jì)2025年將突破19000kt。但我國(guó)塑料薄膜處于結(jié)構(gòu)性供需矛盾的狀態(tài)御铃,傳統(tǒng)薄膜供過(guò)于求碴里,高性能薄膜供不應(yīng)求。高性能薄膜(又稱(chēng)耐高溫膜)一般是指PEEK上真、 PPS咬腋、LCP、PEI谷羞、PSF帝火、PI等薄膜,其耐高溫性能湃缎、電性能和力學(xué)性能等明顯優(yōu)于聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)蠢壹、聚酰胺(PA)等傳統(tǒng)薄膜嗓违,在電子屏蔽、醫(yī)學(xué)图贸、航空航天蹂季、絕緣材料冕广、通訊等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,預(yù)計(jì)未來(lái)將快速發(fā)展[2]偿洁。
工業(yè)上制備傳統(tǒng)塑料薄膜的主要方法有擠出吹塑法撒汉、擠出流延法(含雙向拉伸)、壓延法涕滋、溶液流延法等睬辐。其中高性能塑料薄膜的制備方法主要有擠出吹塑法、擠出流延法宾肺、溶液流延法等溯饵,前兩種方法是工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的首選方法,而溶液流延法因受環(huán)境保護(hù)等的限制锨用,目前主要是實(shí)驗(yàn)室研究制樣用丰刊。
1 PEEK
PEEK是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料,可在250℃下長(zhǎng)期使用增拥,在高溫下能保持較高的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度啄巧,剛性大,尺寸穩(wěn)定性好掌栅,線膨脹系數(shù)小棵帽。除濃硫酸外,幾乎能耐任何化學(xué)藥品[3]渣玲;而且即使在較高溫度下仍能保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性逗概,同時(shí)其自身還具有阻燃性[4]。PEEK薄膜具有高的耐熱性忘衍、良好的電氣性能和力學(xué)性能逾苫,連續(xù)使用溫度可達(dá)240℃,介電損耗低至0. 001~0. 003枚钓;透光率達(dá)到85. 9%铅搓。特別是其耐化學(xué)藥品性、耐水解性搀捷、耐放射線性等性能星掰,即使在高性能薄膜中也相當(dāng)突出[5]3。
1. 1 PEEK 薄膜的制備方法
工業(yè)上PEEK 薄膜主要有擠出流延法和擠出吹塑法兩種制備方法嫩舟。
(1)擠出流延法
PEEK薄膜由T形口模熔融擠出流延制備氢烘,口模溫度須在400℃以上,擠出機(jī)螺桿可采用PA或PP薄膜用螺桿結(jié)構(gòu)[5]家厌。為了使PEEK薄膜具有高的拉伸強(qiáng)度等優(yōu)異性能播玖,可對(duì)其進(jìn)行單向或雙向拉伸。Li等[6]通過(guò)擠出拉伸制備高強(qiáng)度PEEK薄膜,拉伸后拉伸強(qiáng)度達(dá)到了333 MPa米苹,幾乎是未拉伸的4倍铝量,這主要源于拉伸取向和結(jié)晶的協(xié)同作用凄诞。在拉伸速率思恐、拉伸溫度和拉伸比3個(gè)工藝參數(shù)中炮温,拉伸比對(duì)薄膜拉伸強(qiáng)度的影響最為顯著(圖1)横侦。
( T = 210 ℃彻犁,ν = 2 mm/min)
圖1 拉伸比對(duì) PEEK 薄膜拉伸強(qiáng)度的影響[6]
Na等[7]通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混制備了PEEK/聚醚砜包覆多壁碳納米管(MWCNT)復(fù)合材料局待,并采用擠出流延法制備了薄膜斑响。用于寬帶電磁干擾屏蔽時(shí),薄膜表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性(5%質(zhì)量損失時(shí)分解溫度T5 %為586℃)和良好的力學(xué)性能(PEEK/聚醚砜包覆MWCNTs質(zhì)量比為91:9時(shí)燎猛,拉伸強(qiáng)度為101 MPa)恋捆,優(yōu)于先前報(bào)道的其他電磁屏蔽薄膜(表1)。
表 1 不同復(fù)合材料的電磁屏蔽效能重绷、拉伸強(qiáng)度和 T5 % [7 ]
孫江華等[8]采用擠出流延法制備了一系列PEEK薄膜沸停,發(fā)現(xiàn)其拉伸強(qiáng)度隨流延輥轉(zhuǎn)速的增加從129 MPa提高到155 MPa;流延后雙向拉伸可大幅度提高薄膜的力學(xué)性能昭卓,縱向拉伸強(qiáng)度可達(dá)203 MPa愤钾。李文雷等[9]通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)共混制備了PEEK/MWCNT復(fù)合材料,采用擠出流延法制備了薄膜候醒。在MWCNT含量為0. 68 %(體積分?jǐn)?shù))時(shí)能颁,薄膜的介電常數(shù)達(dá)367. 2×103 Hz,是純PEEK薄膜的100倍左右倒淫;拉伸強(qiáng)度達(dá)到103. 4 MPa伙菊,使其適用于對(duì)力學(xué)性能有高要求的高介電常數(shù)材料。
(2)擠出吹塑法
PEEK薄膜也可以采用擠出吹塑法制備敌土,可得到薄的薄膜镜硕,但難以得到寬幅薄膜[5]。高正春等[10]采用雙螺 桿三層共擠吹塑法制備了主要成分為PET/PEEK/PI(150/200/180返干,質(zhì)量份數(shù))復(fù)合薄膜兴枯。擠出時(shí),主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速100~200 r/min矩欠,牽引速度5~10 m/min财剖,口模直徑400mm,吹脹比3~5癌淮。復(fù)合薄膜水蒸氣透過(guò)量低躺坟,剝離力大,熱合強(qiáng)度大该默。朱冠南等[11]通過(guò)擠出吹塑法制備了厚度小于0. 5mm的PEEK薄膜瞳氓,薄膜各向同性,且具有較好的耐磨性栓袖。
1. 2 PEEK薄膜的改性
(1)共混與填充改性
宋文生等[12]采用共混方法制備了一系列不同組成的磺化聚醚醚酮(SPEEK)與PSF共混薄膜匣摘,發(fā)現(xiàn)隨PSF含量的增加,SPEEK/ PSF薄膜的相分離行為加劇裹刮,室溫下的阻醇性能得到提高音榜;PSF含量為50 %時(shí),甲醇透過(guò)系數(shù)僅為1. 3×10-7 cm2/s捧弃,下降了88. 3%赠叼。薛松等[13]將SPEEK溶于二甲基乙酰胺中后加入磷鎢酸(PWA),攪拌均勻后在玻璃板上延流成膜违霞,干燥脫水后制得了復(fù)合材料質(zhì)子交換膜嘴办。磺化度為0. 73的SPEEK復(fù)合材料膜在PWA摻雜量達(dá)0. 45 %和0. 6%(與SPEEK的質(zhì)量比)時(shí)买鸽,電導(dǎo)率都高于10-2S/cm涧郊,80℃左右時(shí)分別達(dá)到2. 95×10-2S/cm和3. 88×10-2S/cm,大大高于Na- fion®117膜的電導(dǎo)率眼五。
(2)等離子體改性
INAGAKI等[14]采用氧等離子體對(duì)PEEK薄膜改性妆艘,在表面引入C—O基團(tuán),提高其親水性看幼。與未經(jīng)處理的薄膜相比(93°)批旺,用直接等離子體處理和遠(yuǎn)程氧等離子體處理的薄膜表面接觸角大幅減小 (56°~78°)。杜鵬等[15]采用離子注入的方法對(duì)PEEK薄膜改性诵姜,在表面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)極不完整的石墨相汽煮,從而使薄膜極性減小,與水的接觸角增大棚唆,同時(shí)使其表面硬度和模量顯著提高暇赤。
(3)接枝改性
Chen等[16]通過(guò)二乙烯基苯的熱接枝和苯乙烯磺酸乙酯的輻射接枝改性超薄PEEK薄膜,改性后薄膜在熱水中表現(xiàn)出更高的水解穩(wěn)定性瑟俭,例如在95℃的水中非常穩(wěn)定翎卓,5000h后質(zhì)量未減少;且甲醇滲透率更低摆寄,為0. 35×10-6 cm2/s失暴,不到Nafion®的1/7,可用作直接甲醇燃料電池的電解質(zhì)膜微饥。Li等[17]采用輻射誘導(dǎo)交聯(lián)和接枝對(duì)PEEK薄膜改性逗扒,并制備了芳香烴電解質(zhì)膜,其甲醇滲透率更低(圖2)欠橘,力學(xué)性能更高矩肩;在高溫下在直接甲醇燃料電池中具有耐久性;在95℃時(shí)最大功率密度達(dá)到106 mW/cm2肃续。
圖2 cPEEK和cPEEK-g-DVB電解質(zhì)膜的甲醇滲透率與離子交換容量的關(guān)系[17]
1. 3 PEEK 薄膜的應(yīng)用
PEEK薄膜主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹K蜷荨㈦娮赢a(chǎn)品振膜叉袍、柔性印刷電路和薄膜電位器等[4]1。Kiepfer等[18]測(cè)量了純PEEK薄膜刽酱、滑石填充的PEEK薄膜和不銹鋼薄膜與人造海水的抗污性曲線喳逛,發(fā)現(xiàn)3種薄膜中,純PEEK薄膜與所測(cè)物質(zhì)之間的附著力最弱棵里,這歸因于其低極性润文、低粗糙度及均勻形貌。因此PEEK薄膜適用于熱海水淡化過(guò)程中的原位清洗殿怜。Hamada等[19]通過(guò)輻射誘導(dǎo)接枝聚合制備含納米SiO2的PEEK薄膜典蝌,其中納米SiO2含量3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)薄膜表現(xiàn)出最高 的拉伸強(qiáng)度(16. 4 MPa),分別是不含SiO2的薄膜和Nafion® 212的1. 27倍和1. 64倍头谜;膜電極組件離子交換容量達(dá)3. 30mmol/g骏掀,在相對(duì)濕度為30 %時(shí)最大功率密度為612 mW/cm2,提高了7 %乔夯。因此PEEK/納米SiO2雜化膜的接枝電解質(zhì)膜可用于燃料電池領(lǐng)域砖织。
2 PPS
PPS是一種主鏈上帶有苯硫基的熱塑性樹(shù)脂,是近年來(lái)發(fā)展最快的工程塑料之一末荐,具有熱變形溫度高侧纯、阻燃、高溫蠕變小甲脏、尺寸穩(wěn)定眶熬、力學(xué)性能高等優(yōu)異性能[20]。從表2數(shù)據(jù)可知块请,PPS薄膜耐熱性?xún)?yōu)異娜氏,特別是在高濕、高應(yīng)力條件下耐熱性超群[21]墩新,拉伸強(qiáng)度和模量與PET相當(dāng)贸弥,但其在低溫(液氮溫度即-196℃)下仍能保持較高的力學(xué)性能,還有充分的撓度海渊,可作為與超導(dǎo)有關(guān)的絕緣材料绵疲。此外,PPS薄膜還具有高頻電氣特性臣疑,介電常數(shù)在寬闊的溫度盔憨、頻率范圍內(nèi)極穩(wěn)定,介電損耗角正切小到可與PP匹敵讯沈。
表2 PPS郁岩、PI 和PET薄膜的典型特性[29]
2. 1 PPS 薄膜的制備方法
(1)擠出吹塑法
PPS結(jié)晶快,韌性差[21]2;成型時(shí)熔體黏度穩(wěn)定性差问慎,擠出吹塑時(shí)易破裂萍摊,加工難度大。黃寶奎等[22]采用擠出吹塑法制備了PPS薄膜蝴乔,并研究了拉伸比和吹脹比對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響记餐。隨著拉伸比和吹脹比的增加驮樊,薄膜的取向度和結(jié)晶度增加薇正;拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。KANG等[23]分別采用單泡管和雙泡管擠出吹塑法(圖3)制備了PPS薄膜囚衔,其中單泡管PPS 薄膜的結(jié)晶度在7 %~9 %的范圍內(nèi)挖腰;而雙泡管PPS薄膜在大二次拉伸比和吹脹比時(shí)可獲得高達(dá)20 %的結(jié)晶度,具有較高的拉伸強(qiáng)度和模量练湿,但斷裂伸長(zhǎng)率低于單泡管薄膜猴仑。
圖3 雙泡管薄膜擠出[23]
(2)擠出流延法
通過(guò)擠出流延并雙向拉伸法生產(chǎn)PPS薄膜是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的工藝[21]3。夏超華等[24]通過(guò)擠出流延法制備的主要成分為PPS樹(shù)脂80份肥哎、超支化聚酰亞胺35份的5GPPS薄膜辽俗,介電常數(shù)低至2. 5;拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到115. 3 MPa和148 MPa篡诽。蘭飛等[25]通過(guò)擠出流延法得到的主要成分為PPS-PET嵌段共聚物115份崖飘、鋯鈦酸鋇15份、石墨烯4份的5G PPS薄膜介電常數(shù)低至1. 9杈女;吸濕率低至0. 01朱浴;耐熱性和耐候性?xún)?yōu)異。
2. 2 PPS 薄膜的改性
(1)填充改性
Yoo等[26]將PPS與MWCNT混合后在熱壓機(jī)上熔融塑化后壓制得到納米復(fù)合材料薄膜达椰。隨著MW-CNT含量增加到10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))翰蠢,薄膜的電導(dǎo)率從純PPS薄膜的10-10S/cm顯著增加到0. 11S/cm,這源于MWCNT在PPS中所形成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)啰劲。唐榮芝等[27]通過(guò)共擠流延并雙向拉伸法得到了一種PPS/PET/PPS三層復(fù)合薄膜梁沧,具有較高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性,且耐高溫(長(zhǎng)期耐熱溫度為155℃)蝇裤;水蒸氣透過(guò)率低廷支;透明度高;可用于制備耐高溫薄膜膠帶猖辫、壓縮機(jī)絕緣薄膜和食品包裝膜等酥泞。
(2)等離子體改性
Zhang等[28]將單螺桿擠出機(jī)在320℃下擠出流延得到的PPS薄膜雙向拉伸后采用空氣等離子體進(jìn)行表面改性,薄膜表面的硫化物氧化物(S=O和O=S=O)量提高到79. 03 %啃憎;接觸角為38°芝囤,比未處理的(78. 5°)明顯減小;拉伸強(qiáng)度從248. 49 MPa增加到275. 70 MPa悯姊;沖擊強(qiáng)度從52. 26 kJ/m2 增加到61. 43 kJ/m2羡藐。PPS薄膜所具有的優(yōu)異性能使其對(duì)柔性印刷電路等功能性電子 產(chǎn)品具有巨大的吸引力,而其與銅間的粘接力是決定柔性印刷電路性能的重要參數(shù)之一悯许。INAGAKI等[29]通過(guò)Ar仆嗦、O2、N2和NH3等離子體改性雙向拉伸PPS薄膜先壕。4種等離子體處理都有助于提高PPS薄膜與銅金屬間的黏附性瘩扼,其中NH3效果最好(圖4)。
圖4 等離子改性PPS薄膜與銅間的剝離強(qiáng)度與等離子暴露時(shí)間的關(guān)系[29]
2. 3 PPS 薄膜的應(yīng)用
PPS薄膜具有高耐熱性垃僚、高絕緣性集绰、高介電性能和優(yōu)異的阻燃性和力學(xué)性能等,用途廣泛谆棺。
(1)電氣絕緣材料
與PET薄膜相比栽燕,PPS薄膜具有更高的耐熱性、耐電壓性改淑、電氣絕緣性等碍岔,且能在高溫下保持力學(xué)性能,可以更好地應(yīng)用到電機(jī)朵夏、電池蔼啦、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)和其他快速旋轉(zhuǎn)機(jī)器上,以提高其可靠性侍郭。此外询吴,PPS薄膜還可用于對(duì)電力變壓器小型化和未來(lái)安全性要求較高的大型和大容量變壓器上[30]。張靜茜等[31]以聚乙烯基硅氧烷(PVS)為涂覆材料亮元,以耐高溫PPS無(wú)紡布為支撐材料猛计,通過(guò)物理浸涂的方法制備了PVS/PPS 無(wú)紡布復(fù)合鋰離子電池隔膜,具有優(yōu)異的熱尺寸穩(wěn)定性爆捞,在250℃下其尺寸基本不發(fā)生變化或收縮奉瘤;而PP/PE/PP隔膜在150℃下收縮率就達(dá)50 %。
(2)電容器絕緣材料
PPS薄膜電容器的損耗較低煮甥,等效串聯(lián)電阻低于PC略高于PP盗温,適用于高頻大電流開(kāi)關(guān)電源。此外成肘,PPS電容器類(lèi)似PP卖局,具有吸水率低和吸水膨脹率低以及耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),受潮時(shí)容量變化小[32]双霍。
3 LCP
LCP是介于固體晶體和液體之間的中間態(tài)聚合物砚偶,具有優(yōu)異的力學(xué)性能批销、尺寸穩(wěn)定性、電性能染坯、耐化學(xué)性均芽、阻燃性、耐熱性和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)[33]单鹿。LCP 薄膜具有良好的柔韌性和介電性能等優(yōu)點(diǎn)掀宋,在5G通訊、液晶顯示等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景仲锄。但存在縱橫取向差異大[33]4劲妙、加工工藝難以控制、易原纖化等問(wèn)題昼窗。
3. 1 LCP 薄膜的制備方法
(1)擠出流延法
擠出流延法制備的LCP薄膜縱向取向明顯是趴,橫向極易撕裂,但薄膜的撓性好澄惊,剛性大,更適用于覆銅板[33]2富雅。Sullivan等[34]通過(guò)單螺桿擠出機(jī)擠出流延法制得了LCP薄膜掸驱,并通過(guò)混合建模的方法模擬擠出過(guò)程中LCP的方向性。結(jié)果表明没佑,LCP的宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性毕贼,這證實(shí)了工業(yè)上需要在加工過(guò)程中提高薄膜結(jié)構(gòu)各向同性的必要性。
(2)擠出吹塑法
擠出吹塑法可有效解決LCP薄膜各向異性的問(wèn)題蛤奢,是目前最成熟的LCP薄膜生產(chǎn)工藝鬼癣。LU- SIGNEA等[35]分別采用雙向和三向旋轉(zhuǎn)模頭進(jìn)行LCP吹膜研究(圖5)。在雙向旋轉(zhuǎn)吹塑中啤贩,薄膜上下表面應(yīng)力不平衡待秃,膜容易卷曲。為解決薄膜平整性問(wèn)題痹屹,他們采用三向旋轉(zhuǎn)模頭章郁,得到的薄膜取向均勻,殘余應(yīng)力均衡志衍,拉伸強(qiáng)度和模量比PET拉伸薄膜高1. 5~2倍暖庄,最高使用溫度超過(guò)PA 薄膜50℃,吸水率比其低100倍以上楼肪。
圖5 三向旋轉(zhuǎn)模頭共擠出雙層薄膜[35]
為減輕LCP薄膜的各向異性培廓,Yang等[36]基于自主研發(fā)的芯棒與外模反向旋轉(zhuǎn)的吹塑裝置成功制備了LCP 薄膜(圖6),并研究了環(huán)向剪切對(duì)薄膜取向結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響春叫。隨著模具轉(zhuǎn)速的增加肩钠,LCP分子鏈各個(gè)方向的取向變得均勻俘侠;薄膜縱向拉伸強(qiáng)度和模量降低,而橫向增加蔬将,薄膜的各向異性得到了一定程度改善爷速。
圖6 LCP 薄膜制備示意圖[36]
3. 2 LCP薄膜的改性
(1)化學(xué)改性
Zhou等[37]通過(guò)化學(xué)鍍銅的方法對(duì)LCP 薄膜表面改性,得到以KMnO4為蝕刻劑的鍍銅LCP薄膜霞怀,在最佳蝕刻時(shí)間20 min時(shí)最大粘合強(qiáng)度高達(dá)12. 08 MPa惫东;Zhang等[38]得到的化學(xué)鍍銅的LCP薄膜的粘合強(qiáng)度達(dá)到了10. 99~11. 94 MPa;他們的結(jié)果均高于先前報(bào)道中的最大值 8. 0 MPa毙石。
(2)等離子體改性
Rumiko等[39]利用Ar等離子體輻照交聯(lián)對(duì)LCP薄膜表面改性并通過(guò)摩擦使薄膜表面上液晶平行于摩擦方向排列廉沮,但垂直于未改性表面,從而增強(qiáng)了液晶的取向性能(圖7)徐矩。Asano等[40]利用N2等離子體處理將—NH滞时、—COOH和—OH等親水基團(tuán)引入LCP 薄膜,使薄膜表面輕微粗糙化滤灯,進(jìn)而提高其與金屬的粘附性坪稽。
圖7 通過(guò)摩擦和等離子體輻照的聚合物排列及液晶方向示意圖[39]
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著射頻功率的增加鳞骤,薄膜的接觸角明顯減小窒百,親水基團(tuán)增強(qiáng)了鍍液的潤(rùn)濕性;銅與LCP薄膜的剝離強(qiáng)度增加(圖8)豫尽,最大達(dá)到2. 4N/cm篙梢。
圖8 銅與LCP薄膜之間的剝離強(qiáng)度和 LCP 的表面粗糙度與射頻功率的關(guān)系[40]
3. 3 LCP 薄膜的應(yīng)用
LCP薄膜具有低介電常數(shù)和介電損耗等特點(diǎn),在5G通訊美旧、柔性印刷電路等領(lǐng)域用途廣泛渤滞。Tsuchiya等[41]制備了基于LCP薄膜的低介電損耗和高速傳輸柔性印刷電路,在23℃和濕度 60 %下榴嗅,在40 GHz時(shí)LCP薄膜差分線路的差模損耗比PI 薄膜的低0. 52dB/cm妄呕,柔性印刷電路的傳輸特性也比PI薄膜的更穩(wěn)定。與層合法相比录肯,梁立等[42]采用LCP 溶液在銅箔上涂布成膜(涂布法)方法制備的柔性印刷電路趴腋。剝離強(qiáng)度高,且各向同性好论咏。
4 PEI
PEI分解溫度為530~550℃优炬,低溫脆化溫度為-160℃,耐高厅贪、低溫性能優(yōu)異蠢护。此外,其室溫拉伸強(qiáng)度是非增強(qiáng)塑料中最高的一種养涮,并具有優(yōu)異的抗蠕變性葵硕。其體積電阻率大于1×1017 Ω·cm眉抬,電擊穿強(qiáng)度為33~35 kV/mm,介電損耗為1. 2×10-3懈凹,并能在很寬的頻率和溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的介電性能蜀变,是介電性能最突出的塑料之一。其加工性能優(yōu)異介评,成型收縮率小而穩(wěn)定[43]库北。PEI薄膜具有極強(qiáng)的耐溫性、優(yōu)異的力學(xué)性能和耐化學(xué)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[44]们陆,用途廣泛寒瓦。
4. 1 PEI 薄膜的制備方法
(1)擠出流延法
Wu等[45]采用工業(yè)規(guī)模方法即用同向旋轉(zhuǎn)雙桿擠出機(jī)擠出流延PEI/納米石墨片(GNP)復(fù)合材料薄膜,研究了拉伸比和熱處理對(duì)薄膜性能的影響坪仇。拉伸比為11時(shí)PEI /GNP-5(10 %杂腰,質(zhì)量分?jǐn)?shù))薄膜縱向拉伸模量和拉伸強(qiáng)度分別提高了134 %和9 %,而且橫向分別提高了79 %和3 %椅文;熱處理有助于GNP取向排列喂很,進(jìn)而大幅度降低薄膜電阻率,最終可降低4個(gè)數(shù)量級(jí)雾袱,同時(shí)大幅度提高熱導(dǎo)率恤筛。
(2)溶液流延法
Lopez等[46]通過(guò)溶液流延法制備了摻雜不同量(1 %~5 %,質(zhì)量分?jǐn)?shù))氧化石墨烯(GO)的PEI薄膜芹橡,其中添加5 %的GO可使薄膜拉伸強(qiáng)度提高30 %,且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度顯著提高望伦。Luo等[47]將改性h-BN粉末與PEI共混林说,采用溶液流延法制備了柔性PEI/h-BN復(fù)合材料薄膜。h-BN表面改性后屯伞,薄膜的模量從1. 15 GPa增加到h-BN用量為10 %(體積分?jǐn)?shù))時(shí)的1. 62 GPa腿箩;添加 5 % h-BN時(shí)薄膜的電擊穿強(qiáng)度從45. 3 kV/mm 提高到55. 3 kV/mm。曲紹寧等[48]采用溶液流延法制備了具有高介電儲(chǔ)能性能的PEI/BT@SiO2復(fù)合材料薄膜劣摇。BT@SiO2含量為1. 0 %(體積分?jǐn)?shù))時(shí)珠移,其介電常數(shù)最大達(dá)到5. 7,提高約28 %末融;填料含量為0. 2 %(體積分?jǐn)?shù))時(shí)钧惧,電擊穿強(qiáng)度達(dá)到最大值468 MV/m,放電能量密度為 4. 1 J/cm3勾习,分別提高了16 %和192 %浓瞪。
4. 2 PEI 薄膜的改性
(1)填充改性
Zhang等[49]采用磁控濺射技術(shù)在PEI薄膜的兩面生長(zhǎng)SiO2層,成功構(gòu)建了夾層結(jié)構(gòu)的 SiO2/PEI/ SiO2復(fù)合薄膜巧婶。在PEI薄膜和金屬電極之間生長(zhǎng)寬帶隙SiO2層乾颁,可提高電極/介電界面勢(shì)壘高度涂乌,從而有效降低傳導(dǎo)損耗。充放電效率大于90 %時(shí)英岭,最大放電能量密度達(dá)2. 96 J/cm3湾盒,優(yōu)于已報(bào)道的介電聚合物和復(fù)合材料。Liu等[50]通過(guò)流延法制備了PEI/MWCNT納米復(fù)合材料薄膜诅妹。在添加1 % MWCNTs(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后罚勾,薄膜的彈性模量提高了約250 %,拉伸強(qiáng)度也明顯增加漾唉,這源于MWCNT與PEI間強(qiáng)烈的界面相互作用荧库。
(2)接枝改性
Edge等[51]通過(guò)聚(2-羥乙基甲基丙烯酸酯)光化學(xué)氣相接枝對(duì)PEI薄膜表面改性。接枝4h后薄膜表面的接觸角為從原先的80°減小至62°赵刑,親水性提升了20%分衫。電儲(chǔ)能用的聚合物納米復(fù)合材料薄膜熱穩(wěn)定性的提高對(duì)滿(mǎn)足電力工業(yè)日益增長(zhǎng)的要求十分重要,尤其是惡劣環(huán)境般此。Miao等[52]在納米鈦酸鍶存在下通過(guò)接枝方法制備了PEI復(fù)合材料薄膜蚪战,大幅度提高其在高溫下的電儲(chǔ)存性能,100℃時(shí)也具有6. 6 J/cm3的高溫放電能量密度铐懊,這優(yōu)于大多數(shù)先前報(bào)道的結(jié)果邀桑,且在惡劣環(huán)境下具有良好的充放電穩(wěn)定性。
(3)紫外輻照改性
絕緣材料的電氣特性是影響電力設(shè)備工作性能和運(yùn)行可靠性的重要因素科乎。李琳等[53]通過(guò)紫外線輻照對(duì)PEI薄膜改性壁畸,以提高其電性能。輻照前PEI薄膜的表面電阻率約為1015Ω茅茂,輻照4d后下降了約2個(gè)量級(jí)捏萍;輻照20d后介電常數(shù)變化尤為明顯,在頻率為1 MHz時(shí)空闲,由初始的3. 13升高至3. 39令杈;輻照9d后,電擊穿強(qiáng)度達(dá)到457 kV/mm碴倾,提高了24 %逗噩。
4. 3 PEI 薄膜的應(yīng)用
PEI薄膜具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、高的耐熱性和優(yōu)異的電性能與力學(xué)性能等跌榔,廣泛應(yīng)用在 EMI屏蔽异雁、顯示器、燃料電池等領(lǐng)域矫户。Kim等[54]通過(guò)電泳法制備了還原氧化石墨烯(RGO)含量分別0. 49 %和0. 66 % (均為體積分?jǐn)?shù))的RGO交替單層和雙層PEI/RGO薄膜片迅,電磁干擾屏蔽效能分別達(dá)到3. 09dB和6. 37dB,同時(shí)保持高達(dá)73%和62%的透光率皆辽,這是20nm RGO薄膜獨(dú)特交替結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的效果柑蛇。相信這種新型薄膜可在包括電磁屏蔽芥挣、觸摸屏、顯示器等在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用耻台。Mondal等[55]采用溶液流延法制備了PEI/官能團(tuán)化氧化石墨烯(FGO)(0. 5%~3%空免,質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料薄膜,其中含1. 5%FGO的薄膜的電磁屏蔽效能高達(dá) 21~23dB盆耽,介電常數(shù)增加了7倍蹋砚,介電損耗降低了14倍,薄膜在寬頻率和溫度范圍內(nèi)也表現(xiàn)出良好的介電摄杂、力學(xué)性能和出色的電磁屏蔽效果(圖9)坝咐。
圖9 8~12 GHz頻率范圍內(nèi)電磁屏蔽效能隨填料含量的變化[55]
溫變英等[56]通過(guò)懸浮液流延法制備了具有梯度分布結(jié)構(gòu)的PEI/Ni電磁屏蔽薄膜,在潮濕析恢、濕熱墨坚、強(qiáng)堿、酸雨4種模擬溶液中的耐腐蝕性能均較好映挂;在60℃下浸泡30d后泽篮,形貌無(wú)明顯變化;電磁屏蔽效能無(wú)明顯下降柑船,保持在40dB左右帽撑;拉伸強(qiáng)度保持在60MPa以上,有很高的實(shí)用價(jià)值鞍时。
5 PSF
PSF是高分子主鏈中含有二苯砜結(jié)構(gòu)的熱塑性樹(shù)脂亏拉,具有高強(qiáng)度、高模量和低蠕變性等特性逆巍,在高溫下仍能很大程度上保持其在室溫下所具有的力學(xué)性能专筷;在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)良的電性能;低溫性能優(yōu)異蒸苇,在-100℃仍能保持韌性;此外還具有良好的熱穩(wěn)定性吮旅、耐老化性能和尺寸穩(wěn)定性等[57]溪烤。PSF薄膜介電常數(shù)的溫度特性穩(wěn)定,介電損耗在寬溫度范圍內(nèi)( -60~150℃)很低庇勃,在150℃的高溫下仍有較高的電阻系數(shù)檬嘀,可用于制造耐熱性好、性能優(yōu)異的薄膜電容器等[58]责嚷。
5. 1 PSF 薄膜的制備方法
(1)溶液流延法
Bautista-Quijano等[59]通過(guò)溶液流延法制備了PSF/MWCNT復(fù)合材料薄膜鸳兽,MWCNT含量在0.05%~0. 3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)薄膜電導(dǎo)率大幅度增加;其中在0. 3%時(shí)罕拂,薄膜電導(dǎo)率約為10-2S/m揍异,比純PSF薄膜高13個(gè)數(shù)量級(jí)全陨。Jiang等[60]同樣采用溶液流延法制備了PSF/GO/CNT薄膜,氣體滲透性顯著提高衷掷。在0.2MPa時(shí)辱姨,CO2和N2的滲透率分別從553 Barrer [1Barrer=10-10cm3 (STP)cm/cm2·s· (cm·Hg)]和536 Barrer (純PSF薄膜)增加到975Barrer和745 Barrer;CNTs 和GO的加入可有效提高薄膜的選擇性戚嗅, CNTs與GO的用量比為5:1 時(shí)雨涛,CO2/N2的理想滲透系數(shù)為1. 94,提高了32. 9%懦胞。
(2)擠出吹塑法
Jurczuk等[61]通過(guò)層倍增共擠吹塑法制得了PSF/PVDF(質(zhì)量比70/30)復(fù)合薄膜替久,研究了PVDF 的α晶和γ晶在納米層狀PSF/PVDF薄膜中的結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)躏尉,薄膜中的PVDF納米層為α晶和γ晶疊加共存結(jié)構(gòu)蚯根。在所有3個(gè)多層PSF/PVDF薄膜中,α晶面相對(duì)于PSF/PVDF界面的法線優(yōu)先取向?yàn)?0°~45°(圖10)醇份。
圖 10 PVDF晶的取向類(lèi)型示意圖[61]
5. 2 PSF薄膜的改性
(1)接枝改性
Du等[62]將聚乙二醇(PEG)偶聯(lián)接枝到PSF的側(cè)鏈上稼锅,通過(guò)溶液流延法制備了接枝共聚物 PSF-g-PEG薄膜,在PEG含量達(dá)48g/100g時(shí)僚纷,薄膜接觸角急劇減小至35°矩距,親水性明顯增強(qiáng),吸附性大大減弱怖竭,飽和吸收能力僅為0. 7g/cm2锥债,對(duì)蛋白質(zhì)的防污能力大幅度增強(qiáng)。Tu等[63]將丙烯酸(AA)和磺化羥丙基殼聚糖(SHPCS)接枝在PSF薄膜上痊臭,薄膜顯示出抑制血小板 粘附和較低的蛋白質(zhì)吸附性(161μg/cm2 )哮肚,血漿再鈣化時(shí)間為238s。與SHPCS結(jié)合后广匙,SHPCS-AA-PSF薄膜的等離子體再鈣化時(shí)間達(dá)301s允趟,表明改性薄膜具有一定的抗凝特性。
(2)填充改性
Jose等[64]采用溶液流延法制備了有機(jī)改性氟鋰蒙脫石黏土填充的PSF納米復(fù)合材料薄膜鸦致,在黏土含量增加到3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)潮剪,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率顯著提高;增加黏土的含量使薄膜表面的粗糙度增加分唾,與此同時(shí)接觸角也隨之增加抗碰,疏水性增強(qiáng)。Suwanwong等[65]用0. 5%绽乔、1. 0%和2. 0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) CaTiO3分別填充PSF制得超級(jí)電容器用隔膜弧蝇,其中添加2. 0 %CaTiO3 時(shí)隔膜具有最大比能量4. 03mWh/g,最大比電容是不含CaTiO3隔膜的2. 17倍,達(dá)4. 64F/g看疗。
5. 3 PSF薄膜的應(yīng)用
PSF薄膜具有出色的介電性能和物理沙峻、化學(xué)性能,因而廣泛用在燃料電池鹃觉、薄膜電容器等領(lǐng)域专酗。Vinodh等[66]采用溶液流延法制備了摻入氧化鋯的季銨化聚砜(QPSU/ZrO2)復(fù)合材料陰離子交換膜,其中納米ZrO2分布均勻盗扇,無(wú)團(tuán)聚祷肯。在ZrO2摻入量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 時(shí),在60℃下達(dá)到的最佳功率密度為250mW/cm2疗隶,是堿性膜燃料電池的理想選擇佑笋。杜瑞奎等[67]向PSF中加入1,4-二氯甲氧基丁烷進(jìn)行氯甲基化反應(yīng)斑鼻,制得氯甲基化聚砜(CMPSF)蒋纬;然后用三乙胺、三丙胺及三丁胺等3種叔胺對(duì)CMPSF進(jìn)行季銨化反應(yīng)坚弱,采用溶液流延法制備了陰離子交換膜蜀备。在季銨化反應(yīng)時(shí)間為24h時(shí),采用三乙胺制備的交換膜離子交換容量高達(dá)1. 43 mmol/g荒叶, 且膜電阻很低碾阁,僅為0. 49Ω·cm2。
6 PI
PI是一種主鏈上帶有酰亞胺基團(tuán)的熱塑性樹(shù)脂些楣,具有優(yōu)異的耐高溫脂凶、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定愁茁、電性能等特性蚕钦,廣泛應(yīng)用于航空航天、電子鹅很、通訊嘶居、復(fù)合材料等領(lǐng)域[68]。PI薄膜呈黃色促煮,透明食听,具有優(yōu)異的耐高低溫性、電氣絕緣性等污茵,能在-269~280℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用,短時(shí)可達(dá) 400℃的高溫葬项,特別適宜于柔性印刷電路[69]泞当、5G通訊、液晶顯示等領(lǐng)域民珍。
6. 1 PI薄膜的制備方法
(1)溶液流延法
王偉等[70]先將聚酰胺酸溶液流延成膜襟士,恒溫干燥后制得聚酰胺酸凝膠膜盗飒;再將拉伸后的聚酰胺酸薄膜經(jīng)高溫亞胺化制得PI薄膜。拉伸比為1. 3時(shí)陋桂,拉伸強(qiáng)度和模量分別達(dá)到了154. 5MPa 和2472. 4MPa逆趣,分別提高了1. 7倍左右和1. 4倍。趙偉濤等[71]采用類(lèi)似工藝制備了PI薄膜嗜历,研究了成膜條件對(duì)薄膜表觀和力學(xué)性能的影響宣渗。他們?cè)谧罡邅啺坊瘻囟葹?50℃時(shí)得到的PI薄膜的拉伸強(qiáng)度為337. 88 MPa,表面粗糙度低于10nm梨州。蔣里鋒等[72]對(duì)流延法制備的PI薄膜熱膨脹系數(shù)的研究表明痕囱,隨著升溫速率的增加,其熱變形逐漸減小暴匠。與橫向相比鞍恢,縱向的熱變形受升溫速率影響較大。
(2)吹塑法
NASA蘭利研究中心的科研人員研究了一種新型吹塑成型法制備PI超薄薄膜技術(shù)[68]3每窖。其所用裝置不同于傳統(tǒng)吹塑薄膜帮掉,薄膜是由上向下吹塑成型的,如圖11所示窒典。目前蟆炊,NASA已建成了PI超薄薄膜吹塑裝置樣機(jī),并成功制備了超薄PI薄膜崇败。
6. 2 PI薄膜的改性
(1)填充改性
Wang等[73]以PI為基體盅称,采用原位聚合工藝制備PI/鈦酸鋇(BaTiO3 )納米復(fù)合材料,并通過(guò)溶液流延法制備了薄膜后室。分別用8%的2-膦酸丁烷-1缩膝,2,4-三羧酸和6%的丙烯酸-磺酸-酰胺基共聚物改性的PI/ BaTiO3薄膜的電擊穿強(qiáng)度分別為80和73MV/m岸霹;能量密度分別為0. 67J和0. 48J疾层,分別提高了25%和37%。Du等[74]以二苯胺贡避、鈦酸銅鈣(CCTO)和3痛黎,3',4刮吧,4'聯(lián)苯四甲酸二酐為原料湖饱,通過(guò)超聲分散原位聚合制得PI/CCTO復(fù)合材料,并通過(guò)溶液流延法制得薄膜杀捻,薄膜的介電常數(shù)和電導(dǎo)率隨著CCTO(10%~70%)含量的增加而顯著增加井厌。
(2)等離子體改性
徐萌等[75]采用低溫等離子體改性亞胺化得到的PI與硅烷偶聯(lián)劑處理的納米Al2O3 (5%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))制備PI/納米Al2O3復(fù)合材料薄膜。隨著等離子體改性時(shí)間的增加仅仆,薄膜表面接觸角逐漸減小器赞,親水性逐漸增加;薄膜表面能和表面電導(dǎo)率逐漸加大墓拜。LIN等[76]采用氮等離子體對(duì)商品名分別為Kapton E(N)和Upilex S的PI薄膜進(jìn)行表面改性港柜,以增強(qiáng)其與濺射銅之間的剝離強(qiáng)度。通過(guò)氮等離子體改性咳榜,濺射銅與兩者之間的剝離強(qiáng)度分別大大提高至1232~1522 N/m和915~1401 N/m夏醉,而未處理的僅為12 N/m和17 N/m。Meddeb等[77]通過(guò)氧等離子體對(duì) Kapton HN PI薄膜改性贿衍。由表3數(shù)據(jù)可知授舟,150℃時(shí)等離子體處理后的薄膜介電擊穿強(qiáng)度不變,而O/C和N/C比分別增加了60%和110%左右贸辈,提高了薄膜的親水性释树,降低了高場(chǎng)/高溫時(shí)的漏電。
表3 處理和未處理的 PI 薄膜在室溫和150℃下的電擊穿強(qiáng)度[77]
6. 3 PI薄膜的應(yīng)用
PI薄膜具有優(yōu)異的耐高低溫性能擎淤、高尺寸穩(wěn)定性和韌性奢啥,在高溫下能保持其化學(xué)穩(wěn)定性,因此可應(yīng)用于燃料電池嘴拢、柔性印刷電路桩盲、液晶顯示、5G通訊等領(lǐng)域[78]席吴。此外赌结,其還具有良好的阻燃性和耐腐蝕性,可廣泛應(yīng)用于絕緣元件孝冒、電線柬姚、微電子等領(lǐng)域。Nisar等[79]采用溶液流延法制備了Nafion/磺化聚酰亞胺(SPI-x)復(fù)合薄膜庄涡,其耐熱溫度高達(dá)500~550℃量承,具有良好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。此外其還具有優(yōu)異的電氣和力學(xué)性能穴店、高質(zhì)子傳導(dǎo)性撕捍、水解穩(wěn)定性,可作為直接甲醇燃料電池中的電解質(zhì)膜使用泣洞,且成本低忧风。Liu等[80]通過(guò)溶液流延法制備了一系列支化磺化聚酰亞胺(bSPI)/s-MWCNTs 復(fù)合材料薄膜。與商業(yè)化的Nafion® 212薄膜相比球凰,優(yōu)化后其具有更低的釩離子滲透率(2. 01×10-7cm2/min)和更高的質(zhì)子選擇性(1.06× 105S min/cm3)阀蒂;更高的庫(kù)侖效率(96. 0%~98. 2%)和能量效率(79.7%~69. 5%)该窗,可用于釩氧化還原液流電池中。
7 結(jié)語(yǔ)
高性能塑料薄膜不僅具有優(yōu)異的電性能蚤霞、力學(xué)性能、耐高低溫义钉、耐腐蝕等特點(diǎn)昧绣,而且介電常數(shù)在寬溫度和頻率范圍內(nèi)大都極穩(wěn)定,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)塑料薄膜捶闸,用途廣泛夜畴。但因其熔點(diǎn)高,熔體黏度大删壮,加工穩(wěn)定性差贪绘,成型難度大,對(duì)擠出機(jī)央碟、機(jī)頭和輔機(jī)等要求高税灌,目前只有一些先進(jìn)國(guó)家擁有工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),我國(guó)在擠出吹塑和擠出流延設(shè)備與工藝上還有待突破亿虽,例如目前高端PI薄膜還主要依賴(lài)進(jìn)口菱涤。此外,目前我國(guó)高性能樹(shù)脂的進(jìn)口依賴(lài)度較大洛勉,不過(guò)可喜的是粘秆,國(guó)家將在“十四五”期間加大對(duì)高性能樹(shù)脂的投資,中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)在《化學(xué)新材料“十四五”發(fā)展指南》中提出力爭(zhēng)在2025年將高性能樹(shù)脂自給率提升到85%收毫,因而可預(yù)期未來(lái)的高性能塑料薄膜定會(huì)快速發(fā)展攻走。
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