纪斌逸　许国栋　蒋蔚

（中航复合材料有限责任公司　北京市　101300）

聚酰亚胺膜类材料在先进复合材料成型中的应用研究

纪斌逸许国栋蒋蔚

（中航复合材料有限责任公司北京市101300）

在先进复合材料成型工艺中，聚酰亚胺膜类辅助材料起着重要作用，占原材料成本比例较大。针对高端耐高温聚酰亚胺膜类辅助材料过多依赖于进口的现状，对国产聚酰亚胺薄膜及胶带在复合材料高温成型工艺中的应用研究，并进行了模拟实验及检测方法研究，实现了该类聚酰亚胺膜类辅助材料的国产化。

聚酰亚胺薄膜；聚酰亚胺胶带；先进复合材料；国产化

先进复合材料（Advanced Composites Material，简称ACM）专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、耐高（低）温等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业[1～2]。在先进复合材料成型工艺过程中，要使用各种用途的辅助材料，其用量占原材料费用比例颇大，且与复合材料制品质量息息相关，已引起有关人员高度重视[3]。国内许多厂家所用的辅助材料均依赖于进口，这样不仅价格高，而且还常常因进货渠道等问题难于保证生产的进度需要，严重地阻碍了先进复合材料的应用和发展[4～5]，特别是耐高温类的膜类材料，对于一些成型温度高于300℃的ACM，国内的聚酰亚胺真空膜、聚酰亚胺胶带很难达到使用要求，大多数依赖进口材料。所以，该聚酰亚胺（PI）膜类材料的国产化对推动国内ACM起到了重要意义。本文通过对先进复合材料成型工艺及环境的研究，开发了国产辅助材料聚酰亚胺薄膜、PI压敏胶带产品，对相关产品进行了常规与模拟环境测试，在实际的生产中得到了应用，实现了该类膜辅助材料的国产化。

1　聚酰压胺薄膜与聚酰亚胺压敏胶带的应用现状

1.1聚酰亚胺薄膜的应用现状

先进复合材料成型工艺中常用的真空袋主要有：聚乙烯薄膜、聚酯薄膜、聚酰胺薄膜、聚酰亚胺薄膜。由于ACM许多成型工艺温度要求非常高，对于一些超过300℃成型温度的工艺条件，聚乙烯薄膜、聚酯薄膜等都不能达到要求，而聚酰亚胺薄膜具有突出的耐高温性，可耐高温达400℃以上，除了突出的耐高温性，PI薄膜还具有耐辐射、耐化学腐蚀、电绝缘性及耐老化等优点。是高温成型ACM理想真空膜类辅助材料之一。目前该种辅助材料主要依赖进口，主要是美国AIRTECH公司的Thermalimide等。

图1　PI膜应用示意图

1.2PI压敏胶带的应用现状

先进复合材料成型工艺中常用的压敏胶带按基材的种类分为两种，即聚酯压敏胶带（PET胶带）以及聚酰亚胺压敏胶带（PI胶带）。PI胶带具有更优越耐高温性能，最高使用温度可达399℃。压敏胶及基材有更高的热稳定性。一般是由耐高温的有机硅压敏胶黏剂及棕色的聚酰亚胺薄膜组成。用于高温固化制品的成型工艺中，起到固定真空袋膜、树脂出入口、热电偶等作用，同时可以贴服于高温密封胶带之上，使其与外界环境隔绝，更好的发挥密封作用。目前典型的PI胶带有美国AIRTECH公司的Airkap 1等。

图2　PI压敏胶带应用

2　聚酰亚胺薄膜及PI胶带的结构与组成

2.1聚酰亚胺薄膜的结构与组成

聚酰亚胺薄膜是由聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后，高温酰亚胺化制得的。其分子主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的聚合物，PI分子主链中不仅含有杂原子氮所组成的五元杂环，而且含有刚性很大的芳环，是一种半梯形结构的聚合物。在制造聚酰亚胺薄膜时，相比于化学亚胺化发，热亚胺化法的工艺过程与设备比较简单。但是通常化学亚胺法的产能高，所得的薄膜的物化性能好。国内大部分厂家均采用热亚胺化法[6～7]。PI薄膜制造的大致工艺流程为：聚酰胺酸合成→流延→纵向拉伸→横向拉伸→切边→收卷[8]。目前，随着国内对聚酰亚胺薄膜材料研究的深入以及向对应的配套工业的发展，国内的聚酰亚胺薄膜材料一些特定使用性能已经能与国外同类产品相媲美。本文主要是对国产PI膜A在先进复合材料成型工艺应用，性能与AIRTECH公司的Thermalimide的差异，以及模拟实验及测试方法研究。

图3　均苯型PI分子通式

2.2聚酰亚胺压敏胶带的结构与组成

聚酰亚胺压敏胶带是以聚酰亚胺薄膜为基材，在基材上涂覆一层耐高温的压敏胶黏剂。一般PI胶带所用的压敏胶黏剂为有机硅压敏胶，在280℃的高温下，要求压敏胶既有较高的粘接性又要保证高温处理后不残胶，薄膜须具有较好的拉伸性能，保证产品具有良好的贴服性。本文主要是对国产聚酰亚胺压敏胶带B在先进复合材料成型工艺应用，性能与AIRTECH公司的Airkap1的差异，以及模拟实验及测试方法研究（如图4）。

3　聚酰亚胺薄膜及聚酰亚胺胶带性能测试

3.1聚酰亚胺薄膜常规性能测试

图4　PI胶带结构示意图

聚酰亚胺薄膜常规测试，主要是考察其拉伸强度与断裂伸长率，对应的标准为GB/T1040.3-2006。具体测试数据如表1。

表1　聚酰亚胺薄膜常规测试数据表

从表1可以看出，国产聚酰亚胺薄膜的拉伸强度、断裂伸长率与Thermalimide无明显差异，说明常规测试条件下，材料性能相近，具有可替代性，由于该种材料的使用环境为高温高压状态，因此常规测试性能只具有参考意义，为进一步了解材料的高温性能，还需要进一步的测试。

3.2聚酰亚胺薄膜高温性能测试

在先进复合材料成型工艺中，辅助材料所面临的环境相当复杂，常规测试条件下数据不能完全体现辅助材料的适用性，因此，对辅助材料进行模拟环境设计与测试才是判断适用性最有效的方法。由于聚酰亚胺薄膜作为真空膜通常在高温环境下使用，为了解PI薄膜在高温环境下的性能变化，参照GB/T1040.3-2006的测试方法，将聚酰亚胺薄膜放在320℃下4h，自然恢复室温后测试性能。测试结果见表2。

表2　聚酰亚胺薄膜高温测试数据表

从表2中可以看出，经过高温后的PI膜，国产膜与Thermalimide性能都有衰减，衰减幅度不大，并且两款材料的衰减幅度相差无几。可以看出，国产PI膜经过高温后的性能接近Thermalimide产品，保持了相当的水平，因此，该产品在此温度条件下可以替代Thermalimide产品。

3.3聚酰亚胺胶带常规测试

压敏胶带的常规测试一般采用国际通用的PSTC（Pressure Sensitive Tape Council）标准，压敏胶带的产品胶粘性能的常规测试分为初粘性能、粘着力以及持粘性测试。具体测试数据如表3。

表3　聚酰亚胺胶带常规测试数据表

由表3说明，国产PI胶带与Airkap 1在初粘性能、粘着力、持粘性能上无明显的差异，在常规测试条件下，两种材料的性能相近，具有可代替性。由于PI胶带的使用条件是在高温条件下，进一步确认国产PI胶带的性能，还需测试其高温条件下的性能。

3.4聚酰亚胺胶带耐高温性能测试

由于PI压敏胶带通常在高温环境中使用，为了解压敏胶带在高温环境中的持粘性变化，参照PSTC-107的测试方法，将PI胶带的测试问题提高至300℃。PI胶带在使用过程中需要接触部件表面，要求高温处理后不残胶，高温条件下有一定的粘接力，高温剥离性能测试方法在PSTC-101基础上，将测试样品置于350℃温度条件下，放置4h，后自然恢复常温进行对比测试。

表4　聚酰亚胺胶带高温测试数据

从表4中可以看出，在300℃高温条件下，国产PI胶带与Airkap 1具有基本相同的粘着力持续的时间，从剥落的试样发现测试板表面无残胶，胶层未出现破坏，说明胶的剪切性能较好。然而高温剥离试验，两种胶带在高温处理过后，粘着力相对于常规测试急剧下降，是因为该温度条件下有机硅压敏胶出现了分解，高温处理后两种胶带的剥离性能相差不大。综合两种胶带高温下的持粘、剥离性能，两者性能相近，因此，该产品在此温度条件下可以代替Airkap1。

4　产品应用实例

通过以上的测试我们对聚酰亚胺薄膜以及聚酰亚胺压敏胶带进行了数据化的表征，对比测试数据，可以发现国产的PI薄膜A以及国产的PI胶带B基本能够达到AIRTECH公司产品性能，能够满足先进复合材料成型用辅助材料的应用要求。

5　结论

先进复合材料的低成本化是目前国内外研究的热门课题，而辅助材料在整个成本中占较大的比例，并且关系到先进复合材料的性能优劣。我们针对目前先进复合材料成型工艺中常用的耐高温聚酰亚胺薄膜及聚酰亚胺压敏胶带进行了应用研究，通过常规测试与耐高温性能的测试，说明国产的PI薄膜及国产的PI胶带具有与国外先进材料相近的性能，并在实际应用中达到了同样的工艺效果，大大降低了两种材料的成本，解决了先进复合材料成型工艺中用的耐高温PI薄膜及PI胶带进口产品的衣领问题，为其他辅助材料的国产化研究开辟了一条新道路。

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TB332

A

1673-0038（2015）22-0127-02

2015-5-18

纪斌逸（1982-），男，江苏金坛人，工程师，硕士，研究方向为复合材料。