Mansor Bin Ahmad

1 Departamentul de chimie, Universitatea din Malaezia, 43400 UPM Serdang, Selangor, Malaezia; E-mail: ym.ude.mpu.ecneics@ribozm

Yadollah Gharayebi

2 Laborator de materiale avansate și nanotehnologie, Institutul de tehnologie avansată (ITMA), Universitatea Putra din Malaezia, 43400 UPM Serdang, Selangor, Malaezia; E-mailuri: [email protected] (Y.G.); [email protected] (S.E.)

3 Departamentul de Chimie, Universitatea Islamică Azad Sucursala Behbahan, University Street, Behbahan, 6361713198, Iran

Mohd. Salut Sapuan

4 Departamentul de inginerie mecanică și de fabricație, Universitatea Putra din Malaezia, 43400 UPM Serdang, Selangor, Malaezia; E-mail: ym.ude.mpu.gne@naupas

Mohd. Zobir Hussein

1 Departamentul de chimie, Universitatea din Malaezia, 43400 UPM Serdang, Selangor, Malaezia; E-mail: ym.ude.mpu.ecneics@ribozm

2 Laborator de materiale avansate și nanotehnologie, Institutul de tehnologie avansată (ITMA), Universitatea Putra din Malaezia, 43400 UPM Serdang, Selangor, Malaezia; E-mailuri: [email protected] (Y.G.); [email protected] (S.E.)

Saeideh Ebrahimiasl

2 Laborator de materiale avansate și nanotehnologie, Institutul de tehnologie avansată (ITMA), Universitatea Putra din Malaezia, 43400 UPM Serdang, Selangor, Malaezia; E-mailuri: [email protected] (Y.G.); [email protected] (S.E.)

Arash Dehzangi

5 Departamentul de Fizică, Universitatea Putra din Malaezia, 43400 Serdang, Selangor, Malaezia; E-mail: moc.oohay@ra_ignazhed

Abstract

Filmele compozite poliimidă/SiO2 au fost preparate din tetraetoxisilan (TEOS) și poli (acid amic) (PAA) pe bază de diamină aromatică (4-aminofenil sulfonă) (4-APS) și dianhidridă aromatică (3,3,4,4-benzofenonetetracarboxilic dianhidrid ) (BTDA) printr-un proces sol-gel în N-metil-2-pirolidinonă (NMP). Filmele compozite preparate din poliimidă/SiO2 au fost caracterizate folosind difracție de raze X (XRD), spectroscopie în infraroșu transformată Fourier (FTIR), microscop electronic cu scanare (SEM) și analiză termogravimetrică (TGA). Rezultatele FTIR au confirmat sinteza poliimidei (4-APS/BTDA) și formarea particulelor de SiO2 în matricea poliimidei. Între timp, imaginile SEM au arătat că particulele de SiO2 au fost bine dispersate în matricea de poliimidă. Stabilitatea termică și parametrii cinetici ai proceselor de degradare pentru filmele compozite preparate din poliimidă/SiO2 au fost investigate folosind TGA în atmosferă de N2. Energia de activare a procesului în stare solidă a fost calculată utilizând metoda Flynn - Wall - Ozawa fără cunoștința mecanismului de reacție. Rezultatele au indicat faptul că stabilitatea termică și valorile energiilor de activare calculate au crescut odată cu creșterea încărcării TEOS și energia de activare a variat, de asemenea, cu procentul de pierdere în greutate pentru toate compozițiile.

1. Introducere

În prezentul studiu, filmele compozite poliimidă/SiO2 au fost preparate din acid poli (amic) (PAA) pe bază de diamină aromatică (4-aminofenil sulfonă) (4-APS) și dianhidridă aromatică (3,3 ′, 4,4′- dianhidridă benzofenonetetracarboxilică) (BTDA) cu tetraetoxisilan (TEOS) ca sursă de SiO2 prin procesul sol-gel. Filmele compozite pregătite au fost caracterizate utilizând spectroscopie în infraroșu transformat Fourier (FTIR), difracție de raze X (XRD), microscop electronic cu scanare (SEM) și analiză termogravimetrică (TGA). Degradarea termică și parametrii cinetici, cum ar fi energia de activare a proceselor de degradare termică, au fost, de asemenea, investigați prin analiza termogravimetrică dinamică la diferite rate de încălzire.

2. Rezultate și discuții

2.1. Caracterizarea filmelor compozite Polyimide/SiO2

2.1.1. Analiza chimică prin spectroscopie FTIR

Spectrele FTIR ale filmelor compozite preparate din poliimidă/SiO2, cu conținut diferit de silice, sunt prezentate în Figura 1. Benzile de absorbție caracteristice ale grupurilor de imide de lângă 1780, 1720 și 1378 cm -1 au fost observate în spectrele FTIR ale probelor preparate după imidizarea termică a precursorului poli (acid amic)/SiO2. Între timp, absorbția caracteristică a amidei carbonil la 1650 cm -1 nu a apărut în spectre, indicând faptul că reacția de imidizare este completă [15]. Benzile caracteristice de vibrații ale Si-O-Si hidrolizate din silice au fost, de asemenea, observate la 477 cm -1 și aproape 1100 cm -1. Pe măsură ce conținutul particulelor de SiO2 a crescut, intensitatea benzii de Si-O-Si a devenit treptat mai puternică în spectrele FTIR ale filmelor compozite poliimidă/SiO2 [16].

degradarea

Spectrele reprezentative ale transformării Fourier în infraroșu (FTIR) ale poliimidei (4-APS-BTDA) și ale filmelor sale compozite cu diferite procente de SiO2.

2.1.2. Studiu de difracție cu raze X a structurii filmelor compozite din poliimidă/SiO2

Filmele compozite pregătite au fost, de asemenea, caracterizate de XRD. Figura 2a prezintă modelele XRD ale filmelor compozite poliimidă/SiO2 cu conținut diferit de SiO2, pregătite în conformitate cu condițiile de procesare din secțiunea 3.3. Figura 2b prezintă modelul XRD al particulelor de SiO2 preparate în aceleași condiții, dar în absența PAA unde dimensiunea medie a particulelor obținute a fost de 610 nm. După cum se vede clar în Figura 2a, există un vârf în difractograma poliimidei (curba I) ca model de distribuție non-gaussian care dezvăluie o structură polimerică semi-cristalină. Acest vârf a fost, de asemenea, descris în toate difractogramele filmelor compozite din poliimidă. Pe măsură ce încărcarea TEOS a crescut în precursorul PAA (curbele II - IV), vârfurile umărului după 2θ = 16 s-au intensificat, sugerând că acest lucru s-ar putea datora formării particulelor de SiO2 și creșterii conținutului de particule de SiO2 în matricea poliimidică.

Tiparele XRD ale (A) filmele compozite poliimidă/SiO2 cu (I - IV) 0, 10, 30 și respectiv 50% în greutate TEOS și (b) Particule de SiO2.

2.1.3. Morfologia filmului compozit Polyimide/SiO2

Fotografii SEM ale suprafețelor secțiunii transversale a filmelor compozite din poliimidă/SiO2 cu diferite procente de TEOS. (A) și (c) imagini: 10% în greutate încărcare TEOS, (b) și (d) imagini: 50% în greutate încărcare TEOS.

tabelul 1

Comparația Td și dimensiunea medie a particulelor de SiO2 în pelicule compozite preparate din poliimidă/SiO2 cu procent diferit de TEOS.

Material compozit TEOS (%) Td (° C) SiO2 dimensiune medie (nm) ± SD
Eșantionul 10574-
Eșantionul 210579264,33 ± 48,44
Eșantionul 330587373,84 ± 41,60
Eșantionul 450592579,67 ± 65,37

2.1.4. Studiul proprietăților termice ale filmelor compozite din poliimidă/SiO2

(A) TGA și (b) Termograme DTA ale filmelor compozite poliimidă/SiO2 cu procente diferite de TEOS.

2.2. Analiza cinetică a degradării

2.2.1. Context teoretic

O aplicație a analizei termogravimetrice este determinarea parametrilor cinetici, cum ar fi ordinea reacției, energia de activare etc. În analiza termogravimetrică, viteza de reacție poate fi definită ca raportul dintre pierderea reală în greutate și pierderea totală în greutate corespunzătoare procesului de degradare [8];

unde W0 este greutatea inițială a probei, Wt este greutatea efectivă a probei, Wf este greutatea finală a probei și X este gradul de descompunere.

Un model tipic pentru un proces cinetic poate fi reprezentat de rata de descompunere (dX/dt) care este o funcție a temperaturii și a greutății probei. Rata de descompunere poate fi exprimată ca:

unde dX/dt este rata de descompunere, k este constanta ratei și f (X) este expresia diferențială a unei funcții de model cinetic. Cu toate acestea, constanta de rată k poate fi definită prin expresia Arrhenius:

A este factorul pre-exponențial (s −1), E este energia de activare a reacției de degradare (kJ/mol), R este constanta gazului universal (8,314 J/mol · K) și T este temperatura absolută). Combinația de ecuații (2) și (3) conduce la următoarea ecuație:

În analiza termogravimetrică, temperatura probei poate fi modificată cu o rată de încălzire constantă β (β = dT/dt), prin care, cu introducerea lui β, ecuația (4) poate fi modificată după cum urmează:

Prin urmare, ecuația (5) este o relație fundamentală care determină parametrii cinetici pe baza datelor termogravimetrice. Pe baza gradului de măsurare a conversiei, X și, de asemenea, a ratei de încălzire, β există mai multe metode disponibile pentru calcularea energiei de activare aparente. Prin urmare, calculul parametrilor cinetici pentru degradarea din datele de analiză termogravimetrică este puternic dependent de metoda de calcul. Există o serie de metode utilizate pentru a determina energia de activare aparentă pe baza uneia sau a diferitelor rate de încălzire ale curbelor TGA și acestea includ Ozawa, Kissinger, van Krevelen, Coatse-Redfern etc. [9]. În prezentul studiu, metoda Ozawa a fost utilizată pentru a calcula energia aparentă de activare a degradării termice a filmelor compozite poliimidă (4-APS/BTDA) și poliimidă (4-APS/BTDA)/SiO2.

2.2.2. Flynn - Perete - Metoda Ozawa

Energia de activare a procesului de descompunere poate fi calculată folosind metoda Flynn - Wall - Ozawa fără a cunoaște ordinea reacției și datele diferențiale ale TGA [18,19]. Integrarea ecuației (5) dintr-o temperatură inițială T0, corespunzătoare unui grad de conversie X0, la temperatura de vârf Tp, unde X = Xp, dă:

unde g (X) este funcția integrală a conversiei. Presupunând x = E/RT, ecuația (6) poate fi scrisă ca: