[发明专利]一种耐电晕聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐电晕聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合薄膜及其制备方法，具体涉及侧链带羧基的聚酰亚胺共聚物与纳米二氧化硅组成的耐电晕复合薄膜及其制备方法。

背景技术

聚酰亚胺（PI）除了具有耐溶剂、耐腐蚀、耐高温和高机械强度性能外，它的电气性能和介电性能相对其它材料优异，是公认的优异综合性能的聚合物，因此被广泛用于航天航空、电子电气和涂料等领域。近年来随着电力电子技术的大力发展，促进了变频调速的应用，变频调速能够使电机节约1/4~1/3的电，这也使得变频调速成为未来电机调速发展的主要方向。对于变频调速电机，脉宽调制变频电压波是具有极快上升沿和下降沿的方波，这种长期重复的脉冲过电压，必然会引起电、热、机械的作用，再加上周围环境等因素的影响，就会加速电机绝缘材料的老化，而传统的绝缘材料（纯聚酰亚胺）包线极易被击穿，从而导致电机的损坏。由于电机绝缘部分过早地被击穿，而导致的变频电机破坏现象，近年来在国内外都出现过。换句话说，传统的纯聚酰亚胺难以满足目前的绝缘要求，上述变频电机的脉宽调制变频调速驱动系统、高压发电机和高压电动机的广泛应用将对绝缘材料的耐电晕性提出了更高的要求。

前人在关于耐电晕聚酰亚胺薄膜研制的报道中显示，通过在聚酰亚胺薄膜中添加无机填料来制备杂化薄膜可改善耐电晕性能。提高绝缘材料耐电晕性能的无机填料包括三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛和层状硅酸盐等，这些无机物具有匀化局部电场和分散热量的作用，从而在一定程度上防止局部放电的发生而提高绝缘材料耐电晕性能。此外，纳米无机物的加入同时改善了材料的热性能和机械性能。

二氧化硅（球形）具有膨胀系数小、耐高温、介电常数低、强度高和化学稳定性良好的优点，作为微电子封装和涂料的填充材料，体现出一些独特的性能优势。目前，在聚酰亚胺基质中引入纳米二氧化硅以提高绝缘和耐电晕性能的方法主要是（超声）机械共混法、原位分散聚合法（包括溶胶-凝胶硅烷和硅氧烷偶联剂改性后聚合）和纳米二氧化硅溶胶-凝胶原位生成后（包括硅烷和硅氧烷偶联剂改性）－聚合物原位聚合法。由于聚酰亚胺／无机物复合薄膜内无机纳米粒子的有限分散导致两相相容性和界面形态缺陷，致使复合薄膜的耐电晕性能提高空间有限。

本发明提出通过化学键合作用，将溶胶-凝胶原位形成的纳米二氧化硅表面硅羟基与聚酰亚胺共聚物前体聚酰胺酸分子链上的功能基团键连的方法，形成均匀和稳定分散的聚酰亚胺与二氧化硅复合薄膜，并研究该类薄膜的耐电晕和击穿场强等性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐电晕聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合薄膜及其制备方法，这种耐电晕聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合薄膜可作为绝缘材料用于高压发电机、高压电动机、变频电机等设备上。

本发明提出通过化学键合作用，将溶胶-凝胶原位形成的纳米二氧化硅表面硅羟基与聚酰亚胺共聚物前体聚酰胺酸分子链上的功能基团键连的方法，形成均匀和稳定分散的聚酰亚胺与二氧化硅复合薄膜，并研究该类薄膜的耐电晕和击穿场强等性能。

本发明的目的是这样实现的，所述的一种耐电晕聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合膜，其由如下步骤制得：

1）以3, 5-二氨基苯甲酸（简称DABA）, 二苯醚二胺（简称ODA）和1, 2, 4, 5-苯甲酸二酐（简称PMDA）为共单体溶于溶剂中制备侧链带羧基的聚酰亚胺前体，即为聚酰胺酸（简称PAA）溶液；2）往该聚酰胺酸溶液中加入正硅酸四乙酯（简称TEOS），其反应机理是通过溶胶-凝胶技术使正硅酸四乙酯经过水解和缩合形成表面带有硅羟基的硅氧网络结构的硅溶胶；在聚酰胺酸和上述的带有硅羟基的硅氧网络结构的硅溶胶的混合体系中硅羟基除了能与聚酰胺酸主链的酰胺官能团上的羧基和酰胺基团形成氢键外，与聚酰胺酸分子主链和侧链上的羧基形成O=C-O-Si酯键，使得原位形成的二氧化硅在聚酰胺酸基体中得以均匀分散；该混合体系经过热处理后，其中的聚酰胺酸发生热亚胺化反应，原位形成聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合薄膜，其原因是由于聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合薄膜中的组分之间除了物理吸附外还存在化学作用而使得聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合薄膜中二氧化硅纳米颗粒不会在聚合物热亚胺化过程迁移，本发明上述制得的聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合膜，体积电阻率至少为3.9×10¹⁰ Ω·m，介电常数小于3.3，击穿场强小于195 kV/mm，耐电晕时间大于8.5 h。

本发明的目的是这样实现的，所述的一种耐电晕聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合膜的制备方法，包括如下步骤：