聚酰亞胺薄膜的研究進(jìn)展

引言聚酰亞胺（PI）歷史悠久，被譽(yù)為“21世紀(jì)最有希望的工程塑料”之一，1908年Bogert首先合成PI，其為主鏈上帶有酰亞胺環(huán)的一類高分子化合物。PI具有優(yōu)異的耐熱性能、機(jī)械性能、電絕緣性能、耐輻射性能以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性能，這使得其分別得以薄膜、纖維、復(fù)合材料等廣泛應(yīng)該于電力電器、航空航天等鄰域。PI膜在絕緣材料、結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用正不斷擴(kuò)大，在功能材料方面也嶄露頭角,具有巨大潛力。近年來，全球PI薄膜的制造技術(shù)不斷發(fā)展，呈現(xiàn)更加激烈的態(tài)勢，PI膜具有優(yōu)異的綜合性能及耐電暈、低熱膨脹等特殊功能，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域。目前為止，國內(nèi)有這些關(guān)于PI薄膜的研究取得進(jìn)展。01耐電暈型PI膜聚酰亞胺，由于主鏈中存在十分穩(wěn)定的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，賦予了其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和絕緣性能，因此，廣泛用作高頻變壓器、變頻電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電等設(shè)備的絕緣材料，如下圖所示。然而聚酰亞胺在高頻電壓下的耐電暈性能較差，嚴(yán)重縮短了電氣設(shè)備的使用壽命。為了提高聚酰亞胺薄膜的耐電暈性能，近些年國內(nèi)外學(xué)者借助納米改性技術(shù)對聚酰亞胺復(fù)合薄膜展開了大量研究，已證實添加適量的納米粒子能有效改善聚酰亞胺的耐電暈性能。其中最具代表性并已大規(guī)模投入生產(chǎn)的耐電暈聚酰亞胺薄膜是由杜邦公司所研發(fā)的100CR(其為老化的橫斷面SEM圖如下圖所示)，其獨(dú)特的“三明治”結(jié)構(gòu)（上下兩層為摻雜Al2O3的復(fù)合PI薄膜，中間層為純PI薄膜）使其在高頻電壓下有著更高的耐電暈壽命，最高可達(dá)純聚酰亞胺薄膜（100HN）的10倍以上。2017年中車株洲電機(jī)有限公司將耐電暈型聚酰亞胺薄膜國產(chǎn)化，打破了國外的壟斷，王文進(jìn)等人將國產(chǎn)耐電暈聚酰亞胺薄膜與同品類進(jìn)口薄膜進(jìn)行對比表明：國產(chǎn)薄膜具有更好的力學(xué)性能、耐電暈性能、耐熱性能、更高的壽命和局部放電起始電壓（PDIV）值以及優(yōu)異的線圈成型工藝性，并且在價格上具有更大的優(yōu)勢。02低介電常數(shù)PI膜隨著5G通訊時代的到來，低介電PI膜成為近年來的研究熱點(diǎn)。PI膜因具有較低的介電常數(shù)及介電損耗在絕緣系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，為了降低PI的介電常數(shù)，研究者們從ClausiusMosotti方程出發(fā)，對PI進(jìn)行了大量的改性工作，如改變本體結(jié)構(gòu)降低分子中偶極子的極化能力，或是引入多孔結(jié)構(gòu)從而減少單位體積內(nèi)極化分子的數(shù)目，從而降低材料整體的介電常數(shù)等，都能使PI薄膜的介電常數(shù)從3.1至3.6，降至2.0至3.0左右(如下表所示)，并同時具有良好的可折疊性、熱穩(wěn)定性。03透明PI膜水凝膠因具有含水量高、生物相容性好及類似于細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。通過對水凝膠網(wǎng)絡(luò)組分的設(shè)計可以制備仿生的可拉伸超韌水凝膠，可廣泛應(yīng)用于組織工程和柔性電子器件等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著水凝膠生物相容性和機(jī)械性能的改進(jìn)，可拉伸超韌水凝膠在生物支架、藥物運(yùn)輸、3D打印及承重生物材料修復(fù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;而導(dǎo)電性、自恢復(fù)能力及快速響應(yīng)機(jī)制的引入又使得其在可穿戴裝置及傳感器等智能裝置領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。04可溶性PI膜可溶性PI不僅保留了傳統(tǒng)PI的性能且具有易于加工的性質(zhì)，廣泛用于電子電器、智能制造、航空航天、納米材料、環(huán)保領(lǐng)域等?？扇苄訮I的制備技術(shù)主要有六種：在主鏈中引入柔性結(jié)構(gòu)、較大側(cè)基、氟原子、非共平面結(jié)構(gòu)、共聚的方法引入、超支化可溶性結(jié)構(gòu)。與聚丙烯（PP）分離膜相比，PI膜對電解質(zhì)溶液具有更高的潤濕性，且具有極性和剛性的骨架穩(wěn)定性。因此，與傳統(tǒng)的PP分離膜相比，PI膜在鋰離子電池中具有更好的前景。展望目前對絕緣PI的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但是大部分都是以降低材料的其他性能為代價，無法做到在不改變其綜合性能的情況下提升絕緣性能。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，設(shè)備在工作時會面臨更加復(fù)雜的工況，因此在未來的研究中應(yīng)當(dāng)考慮復(fù)雜工況對絕緣材料的影響，如在材料的擊穿機(jī)制研究下考慮不同環(huán)境中的使用，如太空導(dǎo)致材料本身放電；在海洋、沙漠、高海拔等環(huán)境惡劣地區(qū)，需要考慮材料的環(huán)境耐受性以及考慮開發(fā)綠色環(huán)?？苫厥盏慕^緣材料。耐電暈型PI膜在以后的研究中應(yīng)當(dāng)考慮無機(jī)納米粒子的分散狀態(tài)、與聚