聚酰亞胺膜類(lèi)材料在先進(jìn)復(fù)合材料成型中的應(yīng)用研究

紀(jì)斌逸　許國(guó)棟　蔣蔚

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司　北京市　101300）

聚酰亞胺膜類(lèi)材料在先進(jìn)復(fù)合材料成型中的應(yīng)用研究

紀(jì)斌逸許國(guó)棟蔣蔚

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司北京市101300）

在先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝中，聚酰亞胺膜類(lèi)輔助材料起著重要作用，占原材料成本比例較大。針對(duì)高端耐高溫聚酰亞胺膜類(lèi)輔助材料過(guò)多依賴(lài)于進(jìn)口的現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)產(chǎn)聚酰亞胺薄膜及膠帶在復(fù)合材料高溫成型工藝中的應(yīng)用研究，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)方法研究，實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)聚酰亞胺膜類(lèi)輔助材料的國(guó)產(chǎn)化。

聚酰亞胺薄膜；聚酰亞胺膠帶；先進(jìn)復(fù)合材料；國(guó)產(chǎn)化

先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composites Material，簡(jiǎn)稱(chēng)ACM）專(zhuān)指可用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過(guò)鋁合金的復(fù)合材料。ACM具有質(zhì)量輕，較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、耐高（低）溫等特點(diǎn)，已被大量運(yùn)用到航空航天、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、建筑等行業(yè)[1～2]。在先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝過(guò)程中，要使用各種用途的輔助材料，其用量占原材料費(fèi)用比例頗大，且與復(fù)合材料制品質(zhì)量息息相關(guān)，已引起有關(guān)人員高度重視[3]。國(guó)內(nèi)許多廠(chǎng)家所用的輔助材料均依賴(lài)于進(jìn)口，這樣不僅價(jià)格高，而且還常常因進(jìn)貨渠道等問(wèn)題難于保證生產(chǎn)的進(jìn)度需要，嚴(yán)重地阻礙了先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展[4～5]，特別是耐高溫類(lèi)的膜類(lèi)材料，對(duì)于一些成型溫度高于300℃的ACM，國(guó)內(nèi)的聚酰亞胺真空膜、聚酰亞胺膠帶很難達(dá)到使用要求，大多數(shù)依賴(lài)進(jìn)口材料。所以，該聚酰亞胺（PI）膜類(lèi)材料的國(guó)產(chǎn)化對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)ACM起到了重要意義。本文通過(guò)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝及環(huán)境的研究，開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)輔助材料聚酰亞胺薄膜、PI壓敏膠帶產(chǎn)品，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了常規(guī)與模擬環(huán)境測(cè)試，在實(shí)際的生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)膜輔助材料的國(guó)產(chǎn)化。

1　聚酰壓胺薄膜與聚酰亞胺壓敏膠帶的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1聚酰亞胺薄膜的應(yīng)用現(xiàn)狀

先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝中常用的真空袋主要有：聚乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚酰胺薄膜、聚酰亞胺薄膜。由于A(yíng)CM許多成型工藝溫度要求非常高，對(duì)于一些超過(guò)300℃成型溫度的工藝條件，聚乙烯薄膜、聚酯薄膜等都不能達(dá)到要求，而聚酰亞胺薄膜具有突出的耐高溫性，可耐高溫達(dá)400℃以上，除了突出的耐高溫性，PI薄膜還具有耐輻射、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性及耐老化等優(yōu)點(diǎn)。是高溫成型ACM理想真空膜類(lèi)輔助材料之一。目前該種輔助材料主要依賴(lài)進(jìn)口，主要是美國(guó)AIRTECH公司的Thermalimide等。

圖1　PI膜應(yīng)用示意圖

1.2PI壓敏膠帶的應(yīng)用現(xiàn)狀

先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝中常用的壓敏膠帶按基材的種類(lèi)分為兩種，即聚酯壓敏膠帶（PET膠帶）以及聚酰亞胺壓敏膠帶（PI膠帶）。PI膠帶具有更優(yōu)越耐高溫性能，最高使用溫度可達(dá)399℃。壓敏膠及基材有更高的熱穩(wěn)定性。一般是由耐高溫的有機(jī)硅壓敏膠黏劑及棕色的聚酰亞胺薄膜組成。用于高溫固化制品的成型工藝中，起到固定真空袋膜、樹(shù)脂出入口、熱電偶等作用，同時(shí)可以貼服于高溫密封膠帶之上，使其與外界環(huán)境隔絕，更好的發(fā)揮密封作用。目前典型的PI膠帶有美國(guó)AIRTECH公司的Airkap 1等。

圖2　PI壓敏膠帶應(yīng)用

2　聚酰亞胺薄膜及PI膠帶的結(jié)構(gòu)與組成

2.1聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)與組成

聚酰亞胺薄膜是由聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后，高溫酰亞胺化制得的。其分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)（-CO-NH-CO-）的聚合物，PI分子主鏈中不僅含有雜原子氮所組成的五元雜環(huán)，而且含有剛性很大的芳環(huán)，是一種半梯形結(jié)構(gòu)的聚合物。在制造聚酰亞胺薄膜時(shí)，相比于化學(xué)亞胺化發(fā)，熱亞胺化法的工藝過(guò)程與設(shè)備比較簡(jiǎn)單。但是通常化學(xué)亞胺法的產(chǎn)能高，所得的薄膜的物化性能好。國(guó)內(nèi)大部分廠(chǎng)家均采用熱亞胺化法[6～7]。PI薄膜制造的大致工藝流程為：聚酰胺酸合成→流延→縱向拉伸→橫向拉伸→切邊→收卷[8]。目前，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)聚酰亞胺薄膜材料研究的深入以及向?qū)?yīng)的配套工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的聚酰亞胺薄膜材料一些特定使用性能已經(jīng)能與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相媲美。本文主要是對(duì)國(guó)產(chǎn)PI膜A在先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝應(yīng)用，性能與AIRTECH公司的Thermalimide的差異，以及模擬實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法研究。

圖3　均苯型PI分子通式

2.2聚酰亞胺壓敏膠帶的結(jié)構(gòu)與組成

聚酰亞胺壓敏膠帶是以聚酰亞胺薄膜為基材，在基材上涂覆一層耐高溫的壓敏膠黏劑。一般PI膠帶所用的壓敏膠黏劑為有機(jī)硅壓敏膠，在280℃的高溫下，要求壓敏膠既有較高的粘接性又要保證高溫處理后不殘膠，薄膜須具有較好的拉伸性能，保證產(chǎn)品具有良好的貼服性。本文主要是對(duì)國(guó)產(chǎn)聚酰亞胺壓敏膠帶B在先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝應(yīng)用，性能與AIRTECH公司的Airkap1的差異，以及模擬實(shí)驗(yàn)及測(cè)試方法研究（如圖4）。

3　聚酰亞胺薄膜及聚酰亞胺膠帶性能測(cè)試

3.1聚酰亞胺薄膜常規(guī)性能測(cè)試

圖4　PI膠帶結(jié)構(gòu)示意圖

聚酰亞胺薄膜常規(guī)測(cè)試，主要是考察其拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T1040.3-2006。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

表1　聚酰亞胺薄膜常規(guī)測(cè)試數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，國(guó)產(chǎn)聚酰亞胺薄膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與Thermalimide無(wú)明顯差異，說(shuō)明常規(guī)測(cè)試條件下，材料性能相近，具有可替代性，由于該種材料的使用環(huán)境為高溫高壓狀態(tài)，因此常規(guī)測(cè)試性能只具有參考意義，為進(jìn)一步了解材料的高溫性能，還需要進(jìn)一步的測(cè)試。

3.2聚酰亞胺薄膜高溫性能測(cè)試

在先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝中，輔助材料所面臨的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，常規(guī)測(cè)試條件下數(shù)據(jù)不能完全體現(xiàn)輔助材料的適用性，因此，對(duì)輔助材料進(jìn)行模擬環(huán)境設(shè)計(jì)與測(cè)試才是判斷適用性最有效的方法。由于聚酰亞胺薄膜作為真空膜通常在高溫環(huán)境下使用，為了解PI薄膜在高溫環(huán)境下的性能變化，參照GB/T1040.3-2006的測(cè)試方法，將聚酰亞胺薄膜放在320℃下4h，自然恢復(fù)室溫后測(cè)試性能。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　聚酰亞胺薄膜高溫測(cè)試數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出，經(jīng)過(guò)高溫后的PI膜，國(guó)產(chǎn)膜與Thermalimide性能都有衰減，衰減幅度不大，并且兩款材料的衰減幅度相差無(wú)幾。可以看出，國(guó)產(chǎn)PI膜經(jīng)過(guò)高溫后的性能接近Thermalimide產(chǎn)品，保持了相當(dāng)?shù)乃剑虼耍摦a(chǎn)品在此溫度條件下可以替代Thermalimide產(chǎn)品。

3.3聚酰亞胺膠帶常規(guī)測(cè)試

壓敏膠帶的常規(guī)測(cè)試一般采用國(guó)際通用的PSTC（Pressure Sensitive Tape Council）標(biāo)準(zhǔn)，壓敏膠帶的產(chǎn)品膠粘性能的常規(guī)測(cè)試分為初粘性能、粘著力以及持粘性測(cè)試。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。

表3　聚酰亞胺膠帶常規(guī)測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表3說(shuō)明，國(guó)產(chǎn)PI膠帶與Airkap 1在初粘性能、粘著力、持粘性能上無(wú)明顯的差異，在常規(guī)測(cè)試條件下，兩種材料的性能相近，具有可代替性。由于PI膠帶的使用條件是在高溫條件下，進(jìn)一步確認(rèn)國(guó)產(chǎn)PI膠帶的性能，還需測(cè)試其高溫條件下的性能。

3.4聚酰亞胺膠帶耐高溫性能測(cè)試

由于PI壓敏膠帶通常在高溫環(huán)境中使用，為了解壓敏膠帶在高溫環(huán)境中的持粘性變化，參照PSTC-107的測(cè)試方法，將PI膠帶的測(cè)試問(wèn)題提高至300℃。PI膠帶在使用過(guò)程中需要接觸部件表面，要求高溫處理后不殘膠，高溫條件下有一定的粘接力，高溫剝離性能測(cè)試方法在PSTC-101基礎(chǔ)上，將測(cè)試樣品置于350℃溫度條件下，放置4h，后自然恢復(fù)常溫進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

表4　聚酰亞胺膠帶高溫測(cè)試數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，在300℃高溫條件下，國(guó)產(chǎn)PI膠帶與Airkap 1具有基本相同的粘著力持續(xù)的時(shí)間，從剝落的試樣發(fā)現(xiàn)測(cè)試板表面無(wú)殘膠，膠層未出現(xiàn)破壞，說(shuō)明膠的剪切性能較好。然而高溫剝離試驗(yàn)，兩種膠帶在高溫處理過(guò)后，粘著力相對(duì)于常規(guī)測(cè)試急劇下降，是因?yàn)樵摐囟葪l件下有機(jī)硅壓敏膠出現(xiàn)了分解，高溫處理后兩種膠帶的剝離性能相差不大。綜合兩種膠帶高溫下的持粘、剝離性能，兩者性能相近，因此，該產(chǎn)品在此溫度條件下可以代替Airkap1。

4　產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)以上的測(cè)試我們對(duì)聚酰亞胺薄膜以及聚酰亞胺壓敏膠帶進(jìn)行了數(shù)據(jù)化的表征，對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)的PI薄膜A以及國(guó)產(chǎn)的PI膠帶B基本能夠達(dá)到AIRTECH公司產(chǎn)品性能，能夠滿(mǎn)足先進(jìn)復(fù)合材料成型用輔助材料的應(yīng)用要求。

5　結(jié)論

先進(jìn)復(fù)合材料的低成本化是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)課題，而輔助材料在整個(gè)成本中占較大的比例，并且關(guān)系到先進(jìn)復(fù)合材料的性能優(yōu)劣。我們針對(duì)目前先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝中常用的耐高溫聚酰亞胺薄膜及聚酰亞胺壓敏膠帶進(jìn)行了應(yīng)用研究，通過(guò)常規(guī)測(cè)試與耐高溫性能的測(cè)試，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)的PI薄膜及國(guó)產(chǎn)的PI膠帶具有與國(guó)外先進(jìn)材料相近的性能，并在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了同樣的工藝效果，大大降低了兩種材料的成本，解決了先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝中用的耐高溫PI薄膜及PI膠帶進(jìn)口產(chǎn)品的衣領(lǐng)問(wèn)題，為其他輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究開(kāi)辟了一條新道路。

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TB332

A

1673-0038（2015）22-0127-02

2015-5-18

紀(jì)斌逸（1982-），男，江蘇金壇人，工程師，碩士，研究方向?yàn)閺?fù)合材料。