含有生物质纤维的聚酰亚胺薄膜的制备及性能测试

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2022.05.007

摘要/Abstract

摘要：

聚酰亚胺(polyimides,PI)是以二酐或二胺合成的耐高温聚合物,因其耐高温性能强成为使用温度最高的工业化聚合物材料之一。针对目前PI薄膜在强度方面存在的断裂延伸率低、拉伸强度低等问题,通过调节聚合物的质量浓度、比例、加料方式、加入生物质纤维等方式制得了不同强度的聚酰亚胺薄膜。以4,4-二氨基二苯醚和3,3,4,4-联苯四甲酸二酐作为反应的前驱体,在交联剂的存在下,采用正加料法制备聚酰胺酸(polymer polyacrylic acid, PAA),将制备好的PAA放置在表面铺有均匀藕丝的培养皿中,加热使其亚胺化,制得聚酰亚胺薄膜。结果表明含有藕丝的聚酰亚胺薄膜的断后标距和弹性模量均低于未掺杂藕丝的薄膜,其中PI-2%藕丝断裂延伸率为6.49%,抗拉强度达67.33 MPa,最大力数据为57.47 N,远高于未掺杂藕丝薄膜力学数据。研究表明藕丝纤维的加入在一定程度上增强了薄膜的力学性能。

关键词: 聚酰亚胺薄膜, 生物聚合物纤维, 拉伸性能测试, 藕丝

Abstract:

Polyimide (PI), a type of high temperature-resistant polymer synthesized using dianhydride or diamine, has become one of the most industrialized polymer materials with the highest operating temperature owing to its strong high-temperature resistance property. However, the strength of PI films still needs to be improved for their industrial application. To improve the elongation rate and tensile strength of PI films, different methods, such as adjusting the concentration, ratio, addition method of precursors and the addition amount of biomass fibers, have been tested in our experiments.4,4-Diaminodiphenyl ether and 3,3,4,4-biphenyltetracarboxylic acid dianhydride were used as the precursors for the reaction. Polyamide acid was prepared using the positive addition method in the presence of a cross linker, which was then poured into a Petri dish containing uniform lotus root fiber. The PI film was obtained by calcination. The results showed that the final gage length and elastic modulus of the PI films containing lotus root fiber were lower than those of the pure PI film. Furthermore, PI-2% root-fiber film had a tensile elongation at break of 6.49%, a tensile strength of 67.33 MPa, and a maximum force tolerance.of 57.47 N, which are much higher than those of pure PI film. Thus, the addition of lotus root fiber enhances the mechanical properties of the film.

Key words: polyimide film, biopolymer fiber, tensile property, lotus root fiber

中图分类号:

TQ204

赵新富, 曹格格, 伊希斌, 赵冠伟, 聂义昊, 郭艳俊, 房长龙. 含有生物质纤维的聚酰亚胺薄膜的制备及性能测试[J]. 山东科学, 2022, 35(5): 53-60.

ZHAO Xin-fu, CAO Ge-ge, YI Xi-bin, ZHAO Guan-wei, NIE Yi-hao, GUO Yan-jun, FANG Chang-long. Synthesis and property of polyimide films coupling with biomass fibers[J]. Shandong Science, 2022, 35(5): 53-60.

图/表 7

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参考文献 36

[1]	谭玉东, 王旭亮. 聚酰亚胺薄膜在精细化工产业研究现状和发展趋势[J]. 科技资讯, 2018, 16(36): 103. DOI: 10.16661/j.cnki.1672-3791.2018.36.103. doi: 10.16661/j.cnki.1672-3791.2018.36.103
[2]	高梦岩, 王畅鸥, 贾妍, 等. 聚酰亚胺薄膜材料的各向异性导热行为研究与进展[J]. 高分子学报, 2021, 52(10): 1283-1297.
[3]	CAO Y, IRWIN P C, YOUNSI K. The future ofnanodielectrics in the electrical power industry[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2004, 11(5): 797-807. DOI: 10.1109/TDEI.2004.1349785. doi: 10.1109/TDEI.2004.1349785
[4]	张昌辉, 周小丽, 刘保健. 聚酰胺酰亚胺超薄膜成膜研究[J]. 化工新型材料, 2016, 44(9): 64-66.
[5]	张雯, 张露, 李家利, 等. 国外聚酰亚胺薄膜概况及其应用进展[J]. 绝缘材料, 2001, 34(2): 21-23. DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2001.02.006. doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2001.02.006
[6]	PARK S J, LEE N J, KWON S H. Influence of surface treatment of polyimide film on adhesion enhancement between polyimide and metal films[J]. Bulletin of the Korean Chemical Society, 2007, 28(2):188-192. DOI: 10.5012/bkcs.2007.28.2.188 doi: 10.5012/bkcs.2007.28.2.188
[7]	陈晨. 聚酰亚胺基复合膜的制备及性能研究[D]. 上海: 上海师范大学, 2010.
[8]	李友清, 刘丽, 刘润山. 聚酰亚胺研究[J]. 精细石油化工进展, 2003, 4(3): 38-42.
[9]	崔福斋, 张敏. 生物纤维材料[C]// 第三届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集. 北京: 北京纺织工程学会, 2003.
[10]	丁正青, 王婷, 黄旭娟, 等. 响应型纤维素基高分子材料的制备及其应用[J]. 化工新型材料, 2021, 49(12): 73-78. DOI: 10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2021.12.015. doi: 10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2021.12.015
[11]	陈红艳, 宋苏, 李青青, 等. 竹纤维素增强复合膜的制备及性能[J]. 中国农业大学学报, 2019, 24(12): 121-127.
[12]	李春光, 王香平, 许可, 等. 玉米秸秆微晶纤维素增强壳聚糖复合膜材料性能研究[J]. 化工新型材料, 2012, 40(10): 128-130.
[13]	赵斯梅. 石墨烯/聚酰亚胺薄膜的制备及结构、性能分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019(4): 43-46.
[14]	苏建峰. 聚酰亚胺/纳米二氧化硅杂化薄膜的制备和性能研究[D]. 苏州: 苏州大学, 2011.
[15]	代天娇. 藕丝纤维性能研究及缅甸藕丝纤维产品设计与研发[D]. 上海: 东华大学, 2020.
[16]	王希庆. 藕丝[J]. 生物学通报, 1957(3): 14-17.
[17]	陈永群. 成语中的生物学知识[J]. 百科知识, 2019(35): 33-37.
[18]	刘迪. 莲纤维的形态结构及物质组成初探[D]. 青岛: 青岛大学, 2008.
[19]	潘颖. 莲纤维的结构与性能研究[D]. 上海: 东华大学, 2011.
[20]	李岱祺, 李建强, 陈悟, 等. 一种新型生物质服用纤维:莲丝纤维[J]. 服饰导刊, 2014, 3(1): 30-31.
[21]	沈喆, 唐笠, 沈青. 天然藕丝的纤维特征[J]. 纤维素科学与技术, 2005, 13(3): 42-45. DOI: 10.16561/j.cnki.xws.2005.03.009. doi: 10.16561/j.cnki.xws.2005.03.009
[22]	刘洁宇. 聚酰亚胺超细纤维薄膜的制备与表征[D]. 长春: 吉林大学, 2007.
[23]	BAKARE I O, OKIEIMEN F E, PAVITHRAN C, et al. Mechanical and thermal properties of sisal fiber-reinforced rubber seed oil-based polyurethane composites[J]. Materials & Design, 2010, 31(9): 4274-4280. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.04.013. doi: 10.1016/j.matdes.2010.04.013
[24]	中国石油和化学工业协会. 塑料拉伸性能的测定:GB/T 1040—2006[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.
[25]	张德健, 方志强, 刘宇, 等. PET纤维增强纳米纤维素薄膜撕裂性能的研究[J]. 造纸科学与技术, 2019, 38(4): 21-26. DOI: 10.19696/j.issn1671-4571.2019.4.005. doi: 10.19696/j.issn1671-4571.2019.4.005
[26]	韩宝军, 吴海银, 丁成成, 等. 高导热聚酰亚胺复合材料的性能[J]. 南京工业大学学报(自然科学版), 2020, 42(4): 522-527.
[27]	MA C H, ZHOU J, ZHU H Y, et al. Constructing a high-efficiency MoO₃/polyimide hybrid photocatalyst based on strong interfacial interaction[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(27): 14628-14637. DOI: 10.1021/acsami.5b01356. doi: 10.1021/acsami.5b01356
[28]	黄明富, 颜善银, 陈川, 等. DABA-BAPP-BPADA共聚聚酰亚胺的合成与性能[J]. 合成技术及应用, 2010, 25(4): 10-14.
[29]	王少峰, 朱梦冰, 蒋远媛, 等. 聚酰胺酸薄膜的化学亚胺化[J]. 南京工业大学学报(自然科学版), 2008, 30(6): 42-45.
[30]	王结祥, 李洪国, 叶松寿, 等. 卤素负载锌-腺嘌呤骨架材料的构建及无助剂催化CO₂环加成反应[J]. 化工学报, 2021, 72(7): 3686-3695.
[31]	陈琳, 鲁云华, 李琳, 等. 热交联型共聚聚酰亚胺薄膜的制备及性能研究[J]. 绝缘材料, 2019, 52(3): 12-17. DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2019.03.003. doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2019.03.003
[32]	赵依纯, 刘飞燕, 孙志腾, 等. 同质纳米纤维增强制备透明低膨胀系数聚酰亚胺[J]. 复合材料学报, 2021, 38(12): 4023-4030. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.005. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.005
[33]	李晓敏, 吴菊英, 唐昶宇, 等. B₄C_P/PI聚酰亚胺复合薄膜耐高温及热中子辐照屏蔽性能研究[J]. 材料工程, 2018, 46(3): 48-54.
[34]	赵文福, 汪传生, 张萌, 等. 纳米氧化锌在槟榔纤维素短纤维/天然橡胶复合材料中的应用[J]. 橡胶工业, 2020, 67(11): 843-846.
[35]	朱思颖, 李辉阳, 胡忠利, 等. 锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 39-66.
[36]	张玲, 徐瑛, 陈妤红, 等. 可溶性透明聚酰亚胺薄膜的合成及性能研究[J]. 绝缘材料, 2016, 49(4): 14-18. DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2016.04.003. doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2016.04.003

薄膜	宽度/mm	厚度/mm	断后标距/mm	弹性模量/MPa	断裂延伸率/%	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	最大力/N
PI	10.79	0.06	28.17	2 326.21	2.49	35.39	30.42	23.67
PI-2%藕丝	11.23	0.08	21.91	1 527.14	6.49	67.33	34.12	57.47
PI-4%藕丝	10.42	0.05	14.81	1 542.33	4.13	52.82	27.07	25.32
PI-8%藕丝	10.78	0.06	13.93	1 337.54	3.03	33.03	28.59	22.43