熱固性聚酰亞胺（PI）具有較好的強度重量比、出色的耐熱性和熱穩(wěn)定性，是良好的樹脂基體，可與多種纖維材料（如碳纖維）組合成耐高溫和機械性能極為出色的復合材料，可應用于航空航天等領域。不過熱固性聚酰亞胺（PI）也有自身的局限性，如固化后脆性較高，不適用于韌性方向上的應用。熱塑性聚酰亞胺（TPI）具有良好的韌性和耐熱性，最關鍵的是它與熱固性聚酰亞胺（PI）的分子結構相似，兼容性較高。有熱塑性聚酰亞胺（TPI）的加持，可提升熱固性聚酰亞胺（PI）的多項性能，在后續(xù)制備CF/PI（TPI）復合材料時，不僅韌性大幅提升，而且耐高溫性能和機械性能不會出現較大損失。
　　
 
　　TPI加持PI，制成TPI/PI混合物，多方向性能研究
　　
　　1、TPI/PI混合物：在120°C下將適量的TPI和PI寡聚物溶解在N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中制備TPI/PI混合物，形成35wt%的溶液。另外將TPI含量分別設置為0、5、10、15和20wt%，后續(xù)測試不同比例下的性能差異。
　　
　　2、CF/PI（TPI）復合材料：使用TPI/PI樹脂溶液和T700碳纖維制備預浸料，樹脂含量為35%±3%，面積密度為135±3 g/m2。將預浸料放置在模具中，在240°C真空條件下去除溶劑；然后溫度升至350°C，并施加1-2 MPa壓力；溫度升至370°C并保持4小時，然后冷卻至室溫，得到CF/PI（TPI）復合材料。
　　
　　3、多項性能測試：在氮氣氣氛中以3°C/min的升溫速率從室溫加熱至500°C進行動態(tài)機械分析（DMA），測試記錄玻璃化轉變溫度（Tg）；使用分析系統(tǒng)在氮氣氣氛中進行差示掃描量熱法（DSC）分析；在25 kV操作電壓下進行掃描電子顯微鏡（SEM）分析；使用材料測試系統(tǒng)在恒定位移速率2.0 mm/min下測量TPI/PI混合物的機械性能。
　　
　　TPI/PI混合物可保持熱穩(wěn)定性，可提升韌性和機械性能
　　
 
　　1、PI和TPI/PI混合物高溫性能曲線保持一致
　　
　　上圖（左）顯示了不同升溫速率下的PI樹脂的DSC曲線，數據顯示：隨著升溫速率的增加，固化過程的峰值溫度向更高值移動。反應峰溫度從345°C增加到386°C,表明升溫速率影響了PI寡聚物系統(tǒng)的固化溫度和放熱量。使用溫度-升溫速率（T-β）外推法確定PI寡聚物系統(tǒng)的固化過程參數。
　　
　　上圖（右）顯示了溫度-升溫速率的擬合線，其中Ti代表初始反應溫度，Tp代表反應峰溫度，Tf代表反應終止溫度。根據溫度-升溫速率外推結果，通過外推到β=0的升溫速率，確定了PI寡聚物的固化過程參數。備注：Tgel（凝膠溫度）=320°C、Tcure（固化溫度）=345°C、Ttreat（后處理溫度）=378°C。
　　
 
　　上圖顯示了不同TPI含量的TPI/PI混合物的DSC曲線，不同比例的TPI/PI混合物的固化反應峰溫度都接近369°C，說明TPI的加入，對PI樹脂系統(tǒng)的固化溫度幾乎沒有影響，TPI/PI混合物保持了PI固化行為和特性。
　　
 
　　2、熱穩(wěn)定性和耐熱性損失較小
　　
　　使用動態(tài)機械分析（DMA）分析了固化PI樹脂系統(tǒng)的玻璃化轉變溫度（Tg），上圖中顯示了TPI含量對固化PI樹脂儲存模量和Tg的影響。上圖（左）顯示，純PI具有最高的儲存模量（3113 MPa），比純TPI（2317 MPa）高約34%，TPI降低了PI系統(tǒng)的儲存模量。但是純PI樹脂和TPI/PI混合物在360°C以下的儲存模量沒有顯著下降，均保持在3000 MPa左右。
　　
　　上圖（右）顯示，在固化的PI和TPI/PI樹脂的tanδ曲線中觀察到單一峰，沒有明顯的肩峰或顯著的展寬，表明TPI/PI混合物在固化后完全相容。由于TPI的Tg值相對較低，隨著TPI含量的增加，TPI/PI混合物的Tg值逐漸向低溫（左側）方向移動，0%、5%、10%、15%和20%的TPI/PI混合物的Tg值分別為482°C、458°C、418°C、410°C和395°C。所有TPI/PI混合物的Tg值均高于395°C，表明具有優(yōu)異的耐熱性，TPI的加入并沒有大幅降低耐熱性能。
　　
 
　　通過熱重分析（TGA）評估固化樹脂系統(tǒng)的耐熱性，上圖顯示PI樹脂在400°C時表現出很小的重量損失，在500°C時重量損失約為1.5%，初始分解溫度（T5%）高于560°C，耐熱性較為優(yōu)異。而隨著TPI含量的增加，熱重損失增加，其中20%含量的TPI/TI混合物的熱重損失最高。
　　
 
　　TPI的加入增加了TPI/TI混合物的粘度，TPI含量越高，粘度越大。TPI/TI混合物的高粘度降低了高轉化率下反應物的流動性，導致固化程度較低和交聯密度較低。TPI含量越大，TPI/TI混合物的熱穩(wěn)定性越低，但總體下降并不算多，上表列出了熱穩(wěn)定性和耐熱性數據。
　　
　　結合動態(tài)機械分析（DMA）和熱重分析量熱法（TGA），可以發(fā)現：與純PI樹脂相比，引入TPI對固化PI樹脂的初始分解溫度（T5%）影響不大。固化樹脂的T5%和T10%值分別在533-563°C和571-585°C之間，TPI的含量對最大分解速率幾乎沒有影響。向PI樹脂系統(tǒng)中添加適量的TPI不會顯著降低固化PI樹脂的熱穩(wěn)定性或耐熱性。
　　
 
　　3、韌性大幅提升，機械性能隨比例發(fā)生變化
　　
　　上表列出了TPI、PI和TPI/PI混合物的機械性能。TPI表現出優(yōu)異的拉伸和彎曲強度，分別為102 MPa和141 MPa，另外還具備突出的沖擊性能，沖擊強度達到73.6 kJ/m2，比純PI高出五倍，但TPI的拉伸模量和彎曲模量低于純PI。隨著TPI含量的增加，TPI/PI混合物的拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度和沖擊強度先增加后減少。15%含量的TPI/PI混合物表現出優(yōu)異的機械性能，其拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度和沖擊強度分別比純PI提高了25.68%、26.93%、10.89%和45.51%，表明TPI的增韌效果顯著。但由于混合物的粘度過高，C≡C官能團的固化受到抑制，因此P20%含量的TPI/PI混合物的機械性能低于15%含量的TPI/PI混合物。
　　
 
　　上圖顯示，固化PI樹脂的斷裂表面光滑，表現出典型的脆性特征。相比之下，15%含量的TPI/PI混合物的斷裂表面表現出韌性斷裂特征，表明TPI和PI之間具有良好的相容性，TPI的引入顯著提高了PI的韌性。
　　
 
　　制備CF/PI復合材料后機械性能和韌性變化
　　
　　1、機械性能：將純PI和不同含量的TPI/PI混合物分別與碳纖維制備成不同的CF/PI（TPI）復合材料試樣，并進行機械性能相關的測試，上表列出了對應試樣的機械性能數據。數據顯示，引入TPI對PI復合材料的機械性能沒有明顯的負面影響，其中層間剪切強度的保持率大于92%，損失較小。
　　
 
　　2、沖擊后壓縮強度（CAI）：沖擊后壓縮強度（CAI）是表征復合材料韌性的重要指標，上圖顯示了不同TPI含量的TPI/PI混合物制備的CF/PI復合材料的沖擊后壓縮強度（CAI）強度。其中純高溫PI復合材料的CAI強度為176 MPa，而隨著TPI含量的增加，復合材料的CAI強度先增加后減少。當TPI含量為10%時，CAI最大值達到190 MPa，比PI系統(tǒng)高7.95%，15%TPI含量的CAI同樣高于純PI復合材料的CAI，當TPI含量達到20%時，由于熔體粘度增加，CAI為152MPa，下降了13.6%。
　　
 
　　通過多項測試和數據分析，智上新材認為將適當比例（10%~15%）的熱塑性聚酰亞胺（TPI）與熱固性聚酰亞胺（PI）混合，可以保證在耐熱性、熱穩(wěn)定性和機械性能不出現較大損失的前提下，大幅提升樹脂基體的韌性，為后續(xù)制備復合材料及應用方向上提供更大的應用空間。