| 标题 | 非溶性多孔聚酰亚胺薄膜的合成及其在锂电池隔膜应用性能分析 |
| 范文 | 韦升艳+万银+陆锦 【摘 要】论文先合成聚酰亚胺-纳米铁粉复合溶液，然后采用相转移法制备了纳米多孔聚酰亚胺薄膜，并研究其力学性能、耐电解液腐蚀性能。 【Abstract】In this paper，firstly， polyimide nano iron complex solution has been prepared，then the nanoporous polyimide films were prepared by phase transfer method， finally， the mechanical properties and electrolytic corrosion resistance of nano iron porous polyimide film have been studied. 【关键词】多孔薄膜；聚酰亚胺；纳米铁 【Keywords】porous film； polyimide film； nano iron 【中图分类号】TQ34 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0171-03 1 引言 聚酰亚胺（PI）是现今世界上已知性能最好的薄膜类绝缘材料[1]，它具有非常优异的性能：①耐热性。聚酰亚胺是已知的有机聚合物中热稳定性较靠前品种之一，玻璃化温度和分解温度分别达到260℃和510℃ ，一些品类的分解温度甚至更高。②良好的耐低温性及化学稳定性。③良好的介电性能。聚酰亚胺拥有的封闭泡沫单元特殊结构使得它不仅避免吸水，还降低了密度，使介电常数有效降低。多孔聚酰亚胺薄膜是一种新型的耐高温有机聚合物，多孔性的增加，使得聚酰亚胺薄膜具备更加优异的性能。④机械性能，聚酰亚胺材料的抗张强度一般都在100MPa以上，有的甚至达到400MPa，其纤维的弹性模量是仅次于碳纤维的良好材料。此外，聚酰亚胺还具有很高的抗辐射性能，耐湿性能，阻燃性能。鉴于多孔聚酰亚胺的优异性能，国内外很多企业以及科研机构都对其投入大量精力物力进行研究，比如使用非织造技术可以制备PI纳米纤维膜，再直接对这些多孔PI薄膜进行实验，结果显示该多孔PI膜具有较高的热稳定性[2]。多孔聚酰亚胺薄膜与多孔聚乙烯单层隔膜（PE）、多孔聚丙烯单层隔膜（ PP）等组成的PI-PE、PI-PP等复合薄膜 ，具有较低的自闭温度135℃（取决于其中PE材料或PP材料），在高温下又具有较强的机械力学性能（取决于聚酰亚胺材料），这样就很好地满足了锂电池对低介电材料可塑性和耐高温的条件。多孔聚酰亚胺薄膜广泛用于航空、电子、电池、武器等方面。 2 制备 多孔聚酰亚胺薄膜（PI）的制备方法主要有静电纺丝法、烧结法、相转移法等[3]，论文采用相转移法制备不可溶性多孔聚酰亚胺薄膜（PI），并对其力学性能、耐电解液腐蚀性能进行了研究。 以普通的聚酰胺酸为原材料，以纳米金属铁粉为致孔剂，搅拌混合后首先制备成聚酰胺酸-纳米金属铁粉复合溶液，夹具涂膜机上放上玻璃板，制得10%、20%、30%、40%孔隙率的聚酰亚胺薄膜。之后将玻璃板放入精密鼓风干燥箱100℃热处理1h，200℃热处理1h，再放入马弗炉300℃热处理1h后自然冷却至室温。冷却至室温从烘箱取出脱膜。把完全干燥的样品取出冷却待用。后将薄膜放入盐酸（1：1）溶液中，直到薄膜上的致孔剂铁与盐酸反应完全，薄膜自然脱出得到具有一定韧性聚酰亚胺薄膜。得到多孔聚酰亚胺薄膜，并对制备的多孔聚酰亚胺薄膜进行了性能测试[4]。 3 实验方法 3.1 实验仪器 BS 124S sartorius电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司） FB224自动内校电子分析天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司） JB-3 型定时恒温磁力搅拌器（上海雷磁仪器厂新泾分厂） JJ-1精密增力电动搅拌器 （金坛市希望科研仪器有限公司） BAO-50A型精密鼓风干燥箱 （上海施都凯仪器有限公司） 800B型离心机 （上海安亭科学仪器厂） PM6363万能电桥 （飞利浦公司） SHAN电子数显外径千分尺 （桂林量具刃具有限责任公司） 马福炉（沪越科学实验仪器厂） 程控式电气控制柜（湘潭华丰仪器制造有限公司） 扫描透镜 3.2 实验试剂 N-甲基吡咯烷酮（NMP）分析纯 天津市光复精通化工研究所 无水乙醇 分析纯 天津市致远化学试剂有限公司 N，N-二甲基乙酰胺 化学纯 西陇化工股份有限公司 均苯四甲酸二酐（PMDA） 化學纯 国药集团化学试剂有限公司 4，4-二氨基二苯醚（ODA） 化学纯 国药集团化学试剂有限公司 硝酸钾 分析纯 西陇化工股份有限公司 纳米铁 20nm 北京德科岛金科技有限公司 SK-0910聚酰亚胺酸（PMDA-0DA反应而成 固体含量20%） Sk-0170固体聚酰亚胺酸（可溶） 实验用水 蒸馏水 3.3 实验过程 本实验采用纳米铁做制孔剂制备不可溶性多孔聚酰亚胺薄膜。利用制备的可溶性多孔聚酰亚胺薄膜测试出多孔聚酰亚胺薄膜的力学性能，分别对其抗拉强度、刺破强调、最大拉断力、伸长率进行研究[5]。 首先以普通的聚酰胺酸为原材料，以纳米金属铁粉为致孔剂，搅拌混合后制备成聚酰胺酸-纳米金属铁粉复合溶液；其次，在夹具涂膜机上放玻璃板，制备10%、20%、30%、40%孔隙率的聚酰亚胺薄膜；再次，将玻璃板放入精密鼓风干燥箱在100℃温度下热处理1h，200℃温度下热处理1h，再放入马弗炉300℃热处理1h后自然冷却至室温；冷却至室温后从烘箱取出脱膜。最后将薄膜放入盐酸（1：1）溶液中，直到薄膜上的致孔剂铁与盐酸完全反应，薄膜自然脱出得到具有一定韧性聚酰亚胺薄膜。 4 结果与讨论 4.1 力学性能分析 4.1.1 多孔聚酰亚胺薄膜的抗拉强度与理论孔隙率的关系 多孔聚酰亚胺薄膜的抗拉强度与理论孔隙率成线性关系，其抗拉强度在1.8～51N变化，见图1。薄膜孔隙率20%的抗拉强度比孔隙率50%的薄膜抗拉强度大得多，可以看出随着理论孔隙率的增加，多孔聚酰亚胺薄膜的抗拉强度变小。说明多孔聚酰亚胺薄膜的抗拉强度随着所加致孔剂的体积的增加而减小，抗拉强度的存在说明了薄膜具有抗拉能力，致孔剂的浓度越大薄膜所形成的微孔就越多进而薄膜的抗拉能力就越弱，进一步说明孔隙率越大的多孔聚酰亚胺薄膜质地更脆，更易被拉断。 4.1.2 多孔聚酰亚胺薄膜的刺破强度与理论孔隙率的关系 多孔聚酰亚胺薄膜的穿刺强度与理论孔隙率成线性关系，薄膜孔隙率为20%时穿刺强度为0.81N，而薄膜孔隙率为50%时穿刺强度只有0.16N。虽图表中孔隙率为40%的薄膜穿刺强度是比线性穿刺强度大，但是仍然是比薄膜孔隙率为30%的穿刺强度小，随着孔隙率的增大，多孔聚酰亚胺薄膜的穿刺强度减小。说明多孔聚酰亚胺薄膜的穿刺强度随着所加致孔剂的体积的增加而减小，穿刺强度的存在说明了薄膜具有能被刺穿的能力，致孔剂的浓度越大薄膜所形成的微孔就越多进而薄膜就越容易被刺穿，多孔聚酰亚胺薄膜更脆，进一步说明孔隙率越大的薄膜质地更脆，更易被刺破。 4.1.3 多孔聚酰亚胺薄膜的最大拉断力与理论孔隙率的关系 在室温条件，取相同面积的不同孔隙率薄膜，采用横向试验法测出其的最大拉断力，得出数据制表并画图。从图3可以看出多孔聚酰亚胺薄膜的最大拉断力与理论空隙率成线性关系，薄膜孔隙率为20%时最大拉断力达到7.5N，薄膜孔隙率为40%稍比线性比例高但是还是比孔隙率为30%的最大拉断力小，随着薄膜孔隙率的增大，薄膜的最大拉断力变小。说明多孔聚酰亚胺薄膜的最大拉断力随着所加致孔剂的体积的增加而减小，致孔剂的浓度越大薄膜所形成的微孔就越多进而薄膜就越容易被拉断，进一步说明孔隙率大的薄膜质地更脆，韧性小，易断。 4.2 多孔聚酰亚胺薄膜的耐锂离子电解液腐蚀性能研究 将制备的多孔聚酰亚胺薄膜置于聚四氟乙烯内衬垫高压反应釜中，然后倒入1M LiPF6 锂离子电解液5mL，盖好盖子后再在不同温度下热处理3小时，然后让其自然冷却至室温，检查锂离子电解液的颜色及多孔聚酰亚胺薄膜外观，结果见表1。 表1表明：锂离子电解液在80℃处理3小时后，外观无明显变化；120℃处理3小时后，颜色开始加深，并随着热处理温度的增加，电解液的颜色变得更深，这可能是锂离子有机电解液本身的高温分解。而多孔聚酰亚胺薄膜在80～180℃范围内在锂离子电解液中热处理3小时，多孔聚酰亚胺薄膜外观无明显变化，仍然保持原来的挺拔状，说明这种多孔聚酰亚胺薄膜能够耐锂离子电解液的高温腐蚀。 5 结语 论文以多孔聚酰亚胺薄膜材料为研究对象，研究材料的力学性能、耐电解液腐蚀性能。 ①使用相转移方法制备的多孔聚酰亚胺薄膜具较好的力学性能，孔隙率40%时抗拉强度为28MPa，穿刺强度为0.65N，最大拉断力为是5.4N，伸长率是8.5%。 ②在80～180℃范围内在锂离子电解液中热处理3小时，多孔聚酰亚胺薄膜外观无明显变化，仍然保持原来的挺拔状，这种多孔聚酰亚胺薄膜能够耐锂离子电解液的高温腐蚀。 由此，可得出的結论是多孔聚酰亚胺薄膜作锂电池隔膜是很好的材料。 【参考文献】 【1】G.G.Raju.Dielectrics in electrical[J].New York：Marcel Dekker Ine，2003（3）：7. 【2】Liu Peisheng Determining Methodsfor Porosity of Porous Materials[J].Titanium Industry Progress， 2005，22（6）：34-36. 【3】曹红葵.聚酰亚胺性能及合成方法[J].化学推进剂与高分子材料，2008（3）：6. 【4】李焱，于俊荣，刘兆峰.聚酰亚胺的合成及其酰亚胺化研究[C].论文研究，2006 04-0006-04. 【5】吴国光.聚酰亚胺及其薄膜的制造与应用[J].信息记录材料，2010（5）：11-12. |
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