耐磨形状记忆聚酰亚胺/氮化硼/炭黑材料的制备及性能研究

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形状记忆聚酰亚胺(SMPI)是一类智能高分子材料,具有良好的综合性能,如高热稳定性,高强度,高模量和耐辐射性等,拥有广泛的应用前景。在SMPI运行的恶劣环境中,摩擦会给材料带来损伤甚至缩短材料使用年限,是材料在应用时的严重壁垒,因而增强材料耐磨性对其应用具有重要意义。六方氮化硼(h-BN)具有与石墨相似的层状结构,多年来由于润滑性好、高导热性、耐高温等优势已经广泛用于材料改性。炭黑(CB)具有成本低、重量轻、屏蔽能力良好、化学稳定性高等特点。本文将形状记忆聚酰亚胺与氮化硼及炭黑相结合,以期在保持聚酰亚胺良好综合性能的同时,有效提高聚酰亚胺复合材料的耐磨性能,拓宽SMPI在航空航天、微电子等前沿领域的应用范围。本文采用原位聚合法制备形状记忆聚酰亚胺,为了增强无机相与有机相的界面相互作用,利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)对纳米氮化硼进行改性,将其与聚酰胺酸(PAA)进行分散聚合,经过梯度升温固化制备出SMPI/M-BN复合材料。结果表明,以4,4′-(六氟亚异丙基)邻苯二甲酸酐(6-FDA)以及2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并噁唑(AAB)为单体制备的SMPI的玻璃化转变温度Tg为363℃,高于目前报道的其它均聚型SMPI的Tg值。改性氮化硼(M-BN)加入后,SMPI/M-BN复合材料的热稳定性能、热机械性能得到显著提高,形状记忆响应时间明显缩短。复合材料拥有非常优异的耐磨性,经历1800 s的摩擦后,磨损率从SMPI的7.5×10-9 g·N-1·r-1下降到SMPI/10%M-BN的0.83×10-9 g·N-1·r-1,下降了88.9%,磨损机理逐步演变为轻微的粘着磨损。本文将改性微米氮化硼与纳米级炭黑按比例(M-BN:CB=6:4)混合制备二元填料,以3,3′,4,4′-联苯四羧酸二酐(BPDA)和2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP)为单体制备的SMPI作为基体材料,制备SMPI/M-BN/CB三元复合材料。性能分析结果表明,随着多元填料M-BN/CB含量的增加,材料的Tg值有增大的趋势,复合材料热机械性能及形状记忆效应增强。本文证明了M-BN/CB共同加入可以更有效的提高聚合物的耐磨性能,当M-BN/CB含量为15 mass%时,复合材料的表面磨损程度明显减弱,经历3600 s的摩擦后,磨损率由原始SMPI的13.3×10-9 g·N-1·r-1降至混合填料为15 mass%的0.84×10-9 g·N-1·r-1,降低幅度达93.68%,其摩擦机理由严重的疲劳和粘着磨损演变为轻微的粘着磨损,这对于耐磨材料降低能耗,提高设备可靠性具有重要意义。
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