有取向二氧化钛纳米线/聚酰亚胺复合材料的制备及介电性能研究

Recently, the requirements insulation fault of inverter motor system is increasing. And the traditional polyimide insulating materials fail to meet the requirements of practical application. While the polyimide composites doped by inorganic nano materials exhibit excellent dielectric properties, which is worthy for further researches and analysis due to its important significance and high research value. This project aims to identify the principle of the reciprocity on the interface between inorganic and organic phases by studying the dispersed state of nanowires in a matrix and the dielectric performances of the nanocomposites, and to obtain one-dimensional titanium dioxide nanowires/polyimide nanocomposites with high dielectric properties, using one-dimensional titanium dioxide nanowires with strong interfacial interaction, and high aspect ratio. The orientation of one-dimensional nano materials plays an important role in the properties of insulating nanocomposites. The orientation, distribution and interaction of the nano fillers can be effected by external field like electromagnetic fields, etc. This project will make great effort to develop a controllable orientation technology of nanowires in a polymer matrix, and study the influences of different orientation for the dielectric properties of polyimide composites and the interaction mechanism systematically, aiming to obtain oriented titanium dioxide nanowires/ polyimide composites with a higher performance. A further research will be on the relationship between one-dimensional nano materials and electrical insulation properties in the project, which has great guiding directive to the preparation of high-performance insulating materials.

针对变频电机绝缘故障需求和聚酰亚胺绝缘材料介电性不能满足实际应用的问题，通过无机纳米掺杂改性的方法制备介电性能优异的聚酰亚胺复合材料具有重要的意义和研究价值。本项目以具有强界面相互作用、高长径比的一维二氧化钛纳米线为填料对聚酰亚胺进行复合改性，并对纳米线在聚合物基体中的分散技术及纳米复合材料的介电性能进行研究，找出无机相与有机相之间界面作用的规律，获得具有高介电性能的二氧化钛纳米线/聚酰亚胺复合材料。一维纳米材料的取向对于复合绝缘材料的性能具有重要作用，利用电磁场等外场对纳米填料取向、分布及相互作用的影响，开发纳米线在聚合物基体中取向可控技术，系统研究纳米线取向对聚酰亚胺复合材料介电性能的影响机理及相互作用机制，获得具有更高性能的有取向二氧化钛纳米线/聚酰亚胺复合材料。本课题的实施对进一步认识一维纳米材料与电气绝缘性能之间的关联以及对高性能绝缘材料的研制具有重要的指导意义。

聚酰亚胺复合材料在纳米材料掺杂改性过程中易团聚，造成击穿性能大幅下降，进而在变频电机绝缘系统中容易发生击穿故障等，极大的限制了它的应用。本项目通过水热法制备了二氧化钛纳米线，通过研究发现，制备的二氧化钛纳米线具有很高的长径比、单晶且直径在7nm、长度在5微米左右、比表面积达到150.704m2/g；通过设计合成了几种不同官能团的聚酰亚胺树脂，合成的酚酞型聚酰亚胺树脂具有良好的工艺性、介电、耐热和导热性能。合成制备了含嘧啶与马来酰亚胺端基超支化聚酰亚胺材料，通过研究发现该聚酰亚胺树脂材料具有优异的耐热性能、溶解性能、介电性能和导热性能。偶联剂对二氧化钛纳米线进行偶联处理，并将偶联处理的纳米粒子加入到盛有二胺和二酐溶液中，并通过机械分散和超声分散联合，同时通过采用微波控制的方法，解决了二氧化钛纳米线在聚酰亚胺中分散时的断裂、团聚和取向问题，制备出了二氧化钛纳米线聚酰亚胺复合材料，其拉伸强度和断裂伸长率分别能达到120.2MPa和9.8%；在频率为1Hz-1MHz范围内，其介电常数维持在3.5-3.9之间，介电损耗因子在0.003-0.01之间，展示出优良的介电性能。通过物理分散、原位聚合的方法制备了一系列不同TiO2纳米线含量的聚酰亚胺复合材料。介电分析结果表明，随着TiO2纳米线含量不断增加到3wt%，聚酰亚胺复合材料的介电常数呈现降低的趋势，当含量为5wt%时，其介电常数反而增加；低频范围内，TiO2纳米线含量的增加使得复合材料的介电损耗因子呈增加趋势；高频范围内（＜1MHz），其介电损耗因子呈降低趋势。随TiO2纳米线含量的增加，复合材料的玻璃化转变温度从320.7℃提高到了350.4℃；其热分解温度也有所提高，800℃下的残炭率也从56%增加到了63%。在同一温度下，聚酰亚胺复合材料的热导率随着TiO2纳米线含量的增加而增加。当TiO2纳米线含量从0wt%增加到2wt%时，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率随之提高。在本项目的支持下，对进一步认识一维纳米材料与电气绝缘性能之间的关联以及对高性能绝缘材料的研制提供了有效的理论基础和有效的保障手段。