一种层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的制备方法技术

一种层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的制备方法，它涉及一种复合薄膜的制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有纳米颗粒掺杂的聚酰亚胺基复合材料绝缘性能和力学性能差的问题。方法：一、制备超薄氮化硼粉末；二、制备聚酰胺酸溶液；三、制备粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液；四、制备复合薄膜。本发明专利技术制备的复合薄膜的耐电晕时间提高了1.2～40.5倍；拉伸强度提高21％～73％，断裂伸长率提高了5.7％～80％；电阻率提高了1.1倍～2.5倍。本发明专利技术适用于制备层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合薄膜的制备方法。
技术介绍
聚酰亚胺作为电气绝缘及电力电子，航空航天的特种高分子材料中的一员，以其优异的热稳定性、机械性能及高温绝缘性能等特点，被学者们及工业界广泛关注。随着电力电子技术的发展，变频调速技术得到广泛应用，但因变频调制在绝缘材料中产生局部放电，空间电荷及脉冲高频损耗加速了绝缘的破坏，传统的聚酰亚胺耐局部放电性能已满足不了变频调制的要求，从而限制了聚酰亚胺的应用。在聚酰亚胺基础上，美国杜邦公司开发出耐电晕聚酰亚胺薄膜KaptonCR，使其成为系统绝缘性(能量转换、电力传输、能量存储及消耗)优良的新型纳米电介质材料，国内外其他研究单位投入大量人力和物力开展相关方面研究，包括聚合物基无机纳米复合材料制备方法、性能测试及应用，并取得许多令人瞩目的成果。然而目前国产的聚酰亚胺复合材料，在耐电晕寿命、机械性能与热学性能等综合性能上还和国外同类产品存在差距。学者研究发现，提高聚酰亚胺基复合材料的耐电寿命的策略是大量的无机绝缘纳米颗粒的掺杂，但大量纳米颗粒的掺杂时由于颗粒的分散不均匀，会导致聚酰亚胺基复合材料的绝缘性能大幅的下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有纳米颗粒掺杂的聚酰亚胺基复合材料绝缘性能和力学性能差的问题，而提供一种层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的制备方法。一种层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的制备方法，是按以下步骤完成的：一、制备超薄氮化硼粉末：①、将氮化硼粉末和氧化物加入到浓酸中，再在冰水浴和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min～120min，得到混合物A；将混合物A加热至50℃，再在温度为50℃和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min～180min，再冷却至室温，再向混合物A中以1mL/min的滴加速度滴入质量分数为30％的双氧水溶液，得到混合物B；在冰水浴下，向混合物B中加入去离子水，得到混合物C；再将混合物C在离心速度6000r/min～8000r/min下离心分离5min～15min，去除离心液，得到薄层氮化硼的前驱体；首先使用0.5mol/L的盐酸清洗薄层氮化硼的前驱体3次，再使用去离子水清洗薄层氮化硼的前驱体5次～8次，得到清洗后的薄层氮化硼的前驱体；步骤一①中所述的浓酸为质量分数为98％的浓硫酸或混合酸；所述的混合酸为质量分数为98％的浓硫酸、质量分数为85％的磷酸和质量分数为98％的硝酸的混合液；所述的混合酸中质量分数为98％的浓硫酸、质量分数为85％的磷酸和质量分数为98％的硝酸的体积比为1:1:5；步骤一①中所述的氮化硼粉末的质量与浓酸的体积比为(4g～8g):400mL；步骤一①中所述的氧化物的质量与浓酸的体积比为(20g～40g):400mL；步骤一①中所述的浓酸与质量分数为30％的双氧水溶液的体积比为400:(5～10)；步骤一①中所述的浓酸与去离子水的体积比为400:(300～400)；②、将清洗后的薄层氮化硼的前驱体在温度为80℃～100℃下真空干燥12h～24h，得到干燥后的薄层氮化硼的前驱体；将干燥后的薄层氮化硼的前驱体加入到有机溶剂中，再在超声功率为100W～500W下超声12h～24h，得到薄层氮化硼的前驱体溶液；在离心速度为3000r/min下对薄层氮化硼的前驱体溶液离心分离5min～10min，再取上层离心液，得到超薄层氮化硼溶液；将超薄层氮化硼溶液进行真空抽滤，再将抽滤后得到的固体物质在温度为80℃～100℃下真空干燥12h～24h，得到超薄层氮化硼粉末；步骤一②中所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺；步骤一②中所述的干燥后的薄层氮化硼的前驱体的质量与有机溶剂的体积比为(1g～3g):100mL；二、制备聚酰胺酸溶液：在冰水浴下将二胺加入到有机溶剂中，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min，再在超声功率为300W下超声6h～12h，得到二胺溶液；在冰水浴和搅拌速度为100r/min的条件下将二酐分5次加入到二胺溶液中，得到粘稠状的聚酰胺酸溶液；步骤二中所述的二胺的质量与有机溶剂的体积比为3g:(40mL～60mL)；步骤二中所述的二酐与二胺的摩尔比为1:1；三、制备粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液：①、将步骤一②中得到的超薄层氮化硼粉末溶解到有机溶剂中，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌10min～30min，再在超声功率为100W～300W下超声10min～30min，再加入氧化铝粉末，再在超声功率为100W～300W下超声20min～40min，得到含有超薄层氮化硼和氧化铝的溶液；步骤三①所述的含有超薄层氮化硼和氧化铝的溶液中超薄层氮化硼的质量分数为0.5％～10％，氧化铝的质量分数为0.5％～10％；②、将二胺加入到含有超薄层氮化硼和氧化铝的溶液中，再在超声功率为300W下超声处理2h～4h，再在冰水浴和搅拌速度为100r/min的条件分4次～5次加入二酐，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌12h～24h，再置于室温的真空干燥箱中静置2h～6h，得到粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液；四、制备复合薄膜：①、将步骤三制备的粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液流延、旋涂或铺膜于洁净的玻璃板上，再将玻璃板在80℃下干燥12h～24h，得到1次铺膜的玻璃板；将步骤二制备的粘稠状的聚酰胺酸溶液流延、旋涂或铺膜于1次铺膜的玻璃板上，再置于温度为80℃下干燥12h～24h，得到2次铺膜的玻璃板；再将步骤三制备的粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液流延、旋涂或铺膜于2次铺膜的玻璃板上，再置于温度为80℃下干燥12h～24，得到3次铺膜的玻璃板；②、将3次铺膜的玻璃板以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温升温至350℃，再在350℃下保温1h～2h，再自然冷却至室温，最后脱模，得到层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术从提高聚酰亚胺复合材料电气与机械等综合性能出发，通过两种纳米颗粒共掺杂实现协同效应及三明治的结构设计，实现了对聚酰亚胺大量掺杂无机纳米颗粒后，大幅提高复合材料的耐电晕寿命同时，复合材料还保持良好的机械强度，该专利技术未来存在巨大的潜在应用价值；二、本专利技术制备的层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的耐电晕时间提高了1.2倍～40.5倍；三、本专利技术制备的层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的拉伸强度提高21％～73％，断裂伸长率提高了5.7％～80％；四、本专利技术制备的层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的电阻率提高了1.1倍～2.5倍。本专利技术适用于制备层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜。附图说明图1为实施例一制备的层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜放大3000倍的SEM图；图2为实施例一制备的层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法是按以下步骤完成的：一、制备超薄氮化硼粉末：①、将氮化硼粉末和氧化物加入到浓酸中，再在冰水浴和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min～120min，得到混合物A；将混合物A加热至50℃，再在温度为50℃和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min～180min，再冷却至室温，再向混合物A中以1mL/min的滴加速度滴入质量分数为30％的双氧水溶液，得到混合物B；在冰水浴下，向混合物B中加入去离子水，得到混合物C；再将混合物C在离心速度6000r/min～8000r/min下离心分离5min～15min，去除离心液，得到薄层氮化硼的前驱体；首先使用0.5mol/L的盐酸清洗薄层氮化硼的前驱体3次，再使用去离子水清洗薄层氮化硼的前驱体5次～8次，得到清洗后的薄层氮化硼的前驱体；步骤一①中所述的浓酸为质量分数为98％的浓硫酸或混合酸；所述的混合酸为质量分数为98％的浓硫酸、质量分数为85％的磷酸和质量分数为98％的硝酸的混合液；所述的混合酸中质量分数为98％的浓硫酸、质量分数为85％的磷酸和质量分数为98％的硝酸的体积比为1:1:5；步骤一①中所述的氮化硼粉末的质量与浓酸的体积比为(4g～8g):400mL；步骤一①中所述的氧化物的质量与浓酸的体积比为(20g～40g):400mL；步骤一①中所述的浓酸与质量分数为30％的双氧水溶液的体积比为400:(5～10)；步骤一①中所述的浓酸与去离子水的体积比为400:(300～400)；②、将清洗后的薄层氮化硼的前驱体在温度为80℃～100℃下真空干燥12h～24h，得到干燥后的薄层氮化硼的前驱体；将干燥后的薄层氮化硼的前驱体加入到有机溶剂中，再在超声功率为100W～500W下超声12h～24h，得到薄层氮化硼的前驱体溶液；在离心速度为3000r/min下对薄层氮化硼的前驱体溶液离心分离5min～10min，再取上层离心液，得到超薄层氮化硼溶液；将超薄层氮化硼溶液进行真空抽滤，再将抽滤后得到的固体物质在温度为80℃～100℃下真空干燥12h～24h，得到超薄层氮化硼粉末；步骤一②中所述的有机溶剂为N‑甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺；步骤一②中所述的干燥后的薄层氮化硼的前驱体的质量与有机溶剂的体积比为(1g～3g):100mL；二、制备聚酰胺酸溶液：在冰水浴下将二胺加入到有机溶剂中，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min，再在超声功率为300W下超声6h～12h，得到二胺溶液；在冰水浴和搅拌速度为100r/min的条件下将二酐分5次加入到二胺溶液中，得到粘稠状的聚酰胺酸溶液；步骤二中所述的二胺的质量与有机溶剂的体积比为3g:(40mL～60mL)；步骤二中所述的二酐与二胺的摩尔比为1:1；三、制备粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液：①、将步骤一②中得到的超薄层氮化硼粉末溶解到有机溶剂中，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌10min～30min，再在超声功率为100W～300W下超声10min～30min，再加入氧化铝粉末，再在超声功率为100W～300W下超声20min～40min，得到含有超薄层氮化硼和氧化铝的溶液；步骤三①所述的含有超薄层氮化硼和氧化铝的溶液中超薄层氮化硼的质量分数为0.5％～10％，氧化铝的质量分数为0.5％～10％；②、将二胺加入到含有超薄层氮化硼和氧化铝的溶液中，再在超声功率为300W下超声处理2h～4h，再在冰水浴和搅拌速度为100r/min的条件分4次～5次加入二酐，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌12h～24h，再置于室温的真空干燥箱中静置2h～6h，得到粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液；四、制备复合薄膜：①、将步骤三制备的粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液流延、旋涂或铺膜于洁净的玻璃板上，再将玻璃板在80℃下干燥12h～24h，得到1次铺膜的玻璃板；将步骤二制备的粘稠状的聚酰胺酸溶液流延、旋涂或铺膜于1次铺膜的玻璃板上，再置于温度为80℃下干燥12h～24h，得到2次铺膜的玻璃板；再将步骤三制备的粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液流延、旋涂或铺膜于2次铺膜的玻璃板上，再置于温度为80℃下干燥12h～24，得到3次铺膜的玻璃板；②、将3次铺膜的玻璃板以3℃/min～5℃/min的升温速率从室温升温至350℃，再在350℃下保温1h～2h，再自然冷却至室温，最后脱模，得到层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种层状氮化硼及球状氧化铝共掺杂的高性能三明治结构聚酰亚胺层复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法是按以下步骤完成的：一、制备超薄氮化硼粉末：①、将氮化硼粉末和氧化物加入到浓酸中，再在冰水浴和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min～120min，得到混合物A；将混合物A加热至50℃，再在温度为50℃和搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min～180min，再冷却至室温，再向混合物A中以1mL/min的滴加速度滴入质量分数为30％的双氧水溶液，得到混合物B；在冰水浴下，向混合物B中加入去离子水，得到混合物C；再将混合物C在离心速度6000r/min～8000r/min下离心分离5min～15min，去除离心液，得到薄层氮化硼的前驱体；首先使用0.5mol/L的盐酸清洗薄层氮化硼的前驱体3次，再使用去离子水清洗薄层氮化硼的前驱体5次～8次，得到清洗后的薄层氮化硼的前驱体；步骤一①中所述的浓酸为质量分数为98％的浓硫酸或混合酸；所述的混合酸为质量分数为98％的浓硫酸、质量分数为85％的磷酸和质量分数为98％的硝酸的混合液；所述的混合酸中质量分数为98％的浓硫酸、质量分数为85％的磷酸和质量分数为98％的硝酸的体积比为1:1:5；步骤一①中所述的氮化硼粉末的质量与浓酸的体积比为(4g～8g):400mL；步骤一①中所述的氧化物的质量与浓酸的体积比为(20g～40g):400mL；步骤一①中所述的浓酸与质量分数为30％的双氧水溶液的体积比为400:(5～10)；步骤一①中所述的浓酸与去离子水的体积比为400:(300～400)；②、将清洗后的薄层氮化硼的前驱体在温度为80℃～100℃下真空干燥12h～24h，得到干燥后的薄层氮化硼的前驱体；将干燥后的薄层氮化硼的前驱体加入到有机溶剂中，再在超声功率为100W～500W下超声12h～24h，得到薄层氮化硼的前驱体溶液；在离心速度为3000r/min下对薄层氮化硼的前驱体溶液离心分离5min～10min，再取上层离心液，得到超薄层氮化硼溶液；将超薄层氮化硼溶液进行真空抽滤，再将抽滤后得到的固体物质在温度为80℃～100℃下真空干燥12h～24h，得到超薄层氮化硼粉末；步骤一②中所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺；步骤一②中所述的干燥后的薄层氮化硼的前驱体的质量与有机溶剂的体积比为(1g～3g):100mL；二、制备聚酰胺酸溶液：在冰水浴下将二胺加入到有机溶剂中，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌反应60min，再在超声功率为300W下超声6h～12h，得到二胺溶液；在冰水浴和搅拌速度为100r/min的条件下将二酐分5次加入到二胺溶液中，得到粘稠状的聚酰胺酸溶液；步骤二中所述的二胺的质量与有机溶剂的体积比为3g:(40mL～60mL)；步骤二中所述的二酐与二胺的摩尔比为1:1；三、制备粘稠状含有超薄层氮化硼和氧化铝的聚酰胺酸溶液：①、将步骤一②中得到的超薄层氮化硼粉末溶解到有机溶剂中，再在搅拌速度为100r/min～300r/min下搅拌10min～30min，再在超声功率为100W～300W下超声10min～30min，再加入氧化铝粉末，再在超声功率为100W～300W下超声20min～40min，得到含有超薄层氮化硼和氧化铝的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旭，冯文博，朱波，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23