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研究生:翁振剛
研究生(外文):Chen-Kang Weng
論文名稱:奈米碳管/氮化硼/聚醯亞胺複合材料之研究
論文名稱(外文):A study on the preparation of Multi-Walled Carbon Nanotubes/Boron Nitride/Polyimide composite
指導教授:石燕鳳石燕鳳引用關係
指導教授(外文):Yeng-Fong Shih
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:應用化學系碩士班
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:氮化硼醯亞胺化碳管聚醯亞胺
外文關鍵詞:multi-walled carbon nanotube (CNTs)polyimideimidizationboron Nitride (BN)
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本研究以三種單體4,4′-Oxydianiline (ODA)、3,3''-Dihydroxybenzidine (HAB)、Pyromellitic dianhydride (PMDA)合成聚醯亞胺酸(Polyamic acid, PAA)預聚物,在加入3-Isocyanatopropyl triethoxysilane (IPS)與PAA中HAB的-OH官能基反應鍵結,得到改質的PAA-IPS預聚物,再將導熱無機填充料碳管、氮化硼加入,以加熱法脫水醯亞胺化,製備出碳管/氮化硼/聚醯亞胺複合材料。對於其複合材料型態學、機械性質、熱性質及電氣性質進行探討。
由掃描式電子顯微(SEM)觀察複合材料表面形態,經IPS改質之PI與無機填充料之間分散性、相容性良好。熱重分析(TGA)顯示,添加碳管與氮化硼後,高分子的熱穩定性提升。動態機械分析儀(DMA)顯示PII系列的儲存模數(E'')及損失模數(E")經由添加40wt%的碳管及氮化硼後,分別提升85.9%及144.20%。拉伸性質隨著剛硬性的無機材料含量增加,抗張強度、斷裂伸長率是降低的趨勢。電氣性質隨著氮化硼含量提升,其介電常數降低、表面阻抗提升。在熱傳導性測試中,聚醯亞胺在添加40wt%的碳管與氮化硼後,其導熱係數由0.3657 W/mK提升到0.8194 W/mK,顯示傳導的路徑及網絡形成,有助於複合材料的散熱行為。
In this study, polyamic acid prepolymer is prepared through three monomers: 4,4′-Oxydianiline (ODA), 3,3''-Dihydroxybenzidine (HAB) and Pyromellitic dianhydride (PMDA). Then the coupling agent (3-Isocyanatopropyl triethoxysilane IPS) was added and the hydroxy group on the HAB will further react with the IPS. Subsequently, the high thermal conductive inorganic matters: multi-walled carbon nanotube (CNTs) and boron Nitride (BN) were added into the polymer matrix, and the thermal imidization was then proceeded by dehydration via heating process. The morphology, mechanical, thermal and electrical properties of these composites were investigated.
By the scanning electron microscopy (SEM), surface morphology of composite materials showed that good compatibility between PI and inorganic filler was found. Thermal gravimetric analysis (TGA) showed that thermal properties of polymer materials have been enhanced with the addition of CNTs and BN. Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) showed that the increments of the storage modulus (E'') and loss modulus (E") for PII series loading with 40wt% of CNTs and BN, are 85.9% and 144.20%, respectively. Moreover, tensile strength and elongation at break are decreased with the increasing content of fillers. Further, the decreased dielectric constant and increased surface resistance were found with the increasing content of BN. The thermal conductivity of Polyimide was increased from 0.3657 W/mK to 0.8194 W/mK as adding of 40wt% of CNTs and BN. This indicates that the conductive paths and networks were formed, and can help the heat dissipation of composite materials.
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 聚醯亞胺 2
1.3 聚醯亞胺種類 2
1.3-1縮合型聚醯亞胺 3
1.3-2 加成型聚醯亞胺 5
1.3-3 改質型聚醯亞胺 8
1.4 聚醯亞胺特性應用 9
1.5 聚醯亞胺應用 11
1.6 偶合劑的作用 12
1.6-1 矽烷偶合劑 12
1.7 電氣性質影響 14
1.7-1 介電特性之原因與影響 15
1.8 熱傳基本理論 17
1.8-1 熱傳導之定義 19
第二章 文獻回顧與研究動機 21
2.1 文獻回顧 21
2.2 研究動機 28
第三章 實驗內容 30
3.1實驗藥品 30
3.2儀器設備 33
3.3 儀器測量方式 35
3.4實驗流程 39
3.4-1各樣品成分比例及代號 39
3.4-2 實驗步驟 40
3.4-3 PI-IPS/aCNT-BN複合材料製備 41
3.4-4 PI-IPS/aCNT-BN複合材料製備步驟 43
第四章 結果與討論 44
4.1 FT-IR檢測分析 44
4.1-1 FT-IR監測IPS反應時間 44
4.1-2 FT-IR監測PI與PII醯亞胺化比率 45
4.2 穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察 48
4.3 複合材料掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察 51
4.4 複合材料熱種分析儀(TGA)測試分析 56
4.5 吸水性質分析 60
4.6 複合材料動態機械分析儀(DMA)測試分析 62
4.7 拉伸性質測試分析 69
4.8 電氣性質測試分析 72
4.8-1 介電性質測試 72
4.8-2 表面阻抗測試分析 72
4.9 熱傳導係數分析 75
第五章 結論 78
第六章 參考文獻 81

圖目錄
圖1-1 Kapton分子結構圖 2
圖1-2 二階段合成法反應 4
圖1-3 一階段合成法反應 5
圖1-4 尾罩型結構 6
圖1-5 尾罩醯亞胺預聚物 6
圖1-6 含乙炔基末端之聚醯亞胺反應結構 7
圖1-7 雙馬來醯亞胺反應結構 8
圖1-8 商品Ultem 1000 ( Polyetherimide )結構 9
圖1-9 聚矽氧醯亞胺共聚物結構 9
圖1-10 Arkles 作用機構模型 14
圖1-11 傳導、對流、輻射之熱傳示意圖 18
圖1-12 熱傳導示意圖 20
圖2-1 典型的環氧樹脂-胺類固化反應 21
圖2-2 胺類矽烷偶合劑改質片狀石墨 22
圖2-3 鈦酸鹽類偶合劑(KR-138S) 23
圖2-4 AlN(A-100及A-500型)混合SiC之熱傳導曲線 23
圖2-5 PI-AlN複合材料製備流程圖 24
圖2-6 不同含量偶合劑對複合材料之熱傳導影響 25
圖2-7 聚乳酸接枝多壁奈米碳管之製備 26
圖2-8 PLLA與PLLA/MWCNT複合材料之熱傳導 26
圖2-9 製備Si-MWCNT/PMMA-VTES複合材料示意圖 27
圖3-1 PI-IPS/aCNT-BN 複合材料之結構反應流程圖 ( 1 ) 41
圖3-2 PI-IPS/aCNT-BN 複合材料之結構反應流程圖 ( 2 ) 42
圖4-1 IPS與PAA反應時間之FT-IR光譜圖 44
圖4-2 不同溫度下PI之FTIR吸收光譜圖 46
圖4-3 不同溫度下PII之FTIR吸收光譜圖 46
圖4-4 未添加偶合劑aCNT、BN放大3,000倍之TEM圖 49
圖4-5 未添加偶合劑aCNT、BN放大10,000倍之TEM圖 49
圖4-6 添加偶合劑aCNT、BN放大3,000倍之TEM圖 50
圖4-7 添加偶合劑aCNT、BN放大10,000倍之TEM圖 50
圖4-8 PI/aCB 10wt%複合材料表面型態放大200倍之SEM圖 52
圖4-9 PI/aCB 10wt%複合材料表面型態放大1,000倍之SEM圖 52
圖4-10 PII/aCB 10wt%複合材料表面型態放大200倍之SEM圖 53
圖4-11 PII/aCB 10wt%複合材料表面型態放大1,000倍之SEM圖 53
圖4-12 PI/aCB 40wt%複合材料表面型態放大200倍之SEM圖 54
圖4-13 PI/aCB 40wt%複合材料表面型態放大1,000倍之SEM圖 54
圖4-14 PII/aCB 40wt%複合材料表面型態放大200倍之SEM圖 55
圖4-15 PII/aCB 40wt%複合材料表面型態放大1,000倍之SEM圖 55
圖4-16 不同填充料比例複合材料之TGA曲線圖 57
圖4-17 PI/aCB複合材料之TGA曲線圖 58
圖4-18 PII/aCB複合材料之TGA曲線圖 58
圖4-19 PI/aCB與PII/aCB複合材料之之吸水性質曲線圖 61
圖4-20 不同填充料比例PII/aCB複合材料之DMA儲存模數圖 64
圖4-21 不同填充料比例PII/aCB複合材料之DMA損失模數圖 64
圖4-22 PI/aCB複合材料之DMA儲存模數圖 65
圖4-23 PII/aCB複合材料之DMA儲存模數圖 65
圖4-24 PI/aCB複合材料之DMA損失模數圖 66
圖4-25 PII/aCB複合材料之DMA損失模數圖 66
圖4-26 PI/aCB與PII/aCB複合材料之抗張強度與無機物添加含量關係圖 70
圖4-27 PI/aCB與PII/aCB複合材料之斷裂伸長率與無機物添加含量關係圖 70
圖4-28 PI/aCB與PII/aCB複合材料之熱傳導率與無機物添加含量關係圖 76
圖4-29 aCNT及BN在PI中堆疊示意圖 76

表目錄
表1-1 絕緣材料之特性要求 15
表3-1 各樣品成分比例及代號 39
表4-1 不同溫度下PI之吸收峰面積 47
表4-2 不同溫度下PI-IPS之吸收峰面積 47
表4-3 複合材料之TGA熱性質數據整理表 59
表4-4 複合材料之吸水性質數據整理表 61
表4-5 不同填充料比例PII/aCB複合材料之DMA數據整理表 67
表4-6 複合材料之DMA儲存模數(E'')數據整理表 67
表4-7 複合材料之DMA損失模數(E")數據整理表 68
表4-8 複合材料之拉伸性質數據整理表 71
表4-9 複合材料之介電性質數據整理表 73
表4-10 複合材料之表面阻抗數據整理表 74
表4-11 複合材料之熱傳系數數據整理表 77
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