热固性聚酰亚胺（PI）具有较好的强度重量比、出色的耐热性和热稳定性，是良好的树脂基体，可与多种纤维材料（如碳纤维）组合成耐高温和机械性能极为出色的复合材料，可应用于航空航天等领域。不过热固性聚酰亚胺（PI）也有自身的局限性，如固化后脆性较高，不适用于韧性方向上的应用。热塑性聚酰亚胺（TPI）具有良好的韧性和耐热性，最关键的是它与热固性聚酰亚胺（PI）的分子结构相似，兼容性较高。有热塑性聚酰亚胺（TPI）的加持，可提升热固性聚酰亚胺（PI）的多项性能，在后续制备CF/PI（TPI）复合材料时，不仅韧性大幅提升，而且耐高温性能和机械性能不会出现较大损失。
　　
 
　　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下将适量的TPI和PI寡聚物溶解在N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中制备TPI/PI混合物，形成35wt%的溶液。另外将TPI含量分别设置为0、5、10、15和20wt%，后续测试不同比例下的性能差异。
　　
　　2、CF/PI（TPI）复合材料：使用TPI/PI树脂溶液和T700碳纤维制备预浸料，树脂含量为35%±3%，面积密度为135±3 g/m2。将预浸料放置在模具中，在240°C真空条件下去除溶剂；然后温度升至350°C，并施加1-2 MPa压力；温度升至370°C并保持4小时，然后冷却至室温，得到CF/PI（TPI）复合材料。
　　
　　3、多项性能测试：在氮气气氛中以3°C/min的升温速率从室温加热至500°C进行动态机械分析（DMA），测试记录玻璃化转变温度（Tg）；使用分析系统在氮气气氛中进行差示扫描量热法（DSC）分析；在25 kV操作电压下进行扫描电子显微镜（SEM）分析；使用材料测试系统在恒定位移速率2.0 mm/min下测量TPI/PI混合物的机械性能。
　　
　　TPI/PI混合物可保持热稳定性，可提升韧性和机械性能
　　
 
　　1、PI和TPI/PI混合物高温性能曲线保持一致
　　
　　上图（左）显示了不同升温速率下的PI树脂的DSC曲线，数据显示：随着升温速率的增加，固化过程的峰值温度向更高值移动。反应峰温度从345°C增加到386°C,表明升温速率影响了PI寡聚物系统的固化温度和放热量。使用温度-升温速率（T-β）外推法确定PI寡聚物系统的固化过程参数。
　　
　　上图（右）显示了温度-升温速率的拟合线，其中Ti代表初始反应温度，Tp代表反应峰温度，Tf代表反应终止温度。根据温度-升温速率外推结果，通过外推到β=0的升温速率，确定了PI寡聚物的固化过程参数。备注：Tgel（凝胶温度）=320°C、Tcure（固化温度）=345°C、Ttreat（后处理温度）=378°C。
　　
 
　　上图显示了不同TPI含量的TPI/PI混合物的DSC曲线，不同比例的TPI/PI混合物的固化反应峰温度都接近369°C，说明TPI的加入，对PI树脂系统的固化温度几乎没有影响，TPI/PI混合物保持了PI固化行为和特性。
　　
 
　　2、热稳定性和耐热性损失较小
　　
　　使用动态机械分析（DMA）分析了固化PI树脂系统的玻璃化转变温度（Tg），上图中显示了TPI含量对固化PI树脂储存模量和Tg的影响。上图（左）显示，纯PI具有最高的储存模量（3113 MPa），比纯TPI（2317 MPa）高约34%，TPI降低了PI系统的储存模量。但是纯PI树脂和TPI/PI混合物在360°C以下的储存模量没有显着下降，均保持在3000 MPa左右。
　　
　　上图（右）显示，在固化的PI和TPI/PI树脂的tanδ曲线中观察到单一峰，没有明显的肩峰或显着的展宽，表明TPI/PI混合物在固化后完全相容。由于TPI的Tg值相对较低，随着TPI含量的增加，TPI/PI混合物的Tg值逐渐向低温（左侧）方向移动，0%、5%、10%、15%和20%的TPI/PI混合物的Tg值分别为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，表明具有优异的耐热性，TPI的加入并没有大幅降低耐热性能。
　　
 
　　通过热重分析（TGA）评估固化树脂系统的耐热性，上图显示PI树脂在400°C时表现出很小的重量损失，在500°C时重量损失约为1.5%，初始分解温度（T5%）高于560°C，耐热性较为优异。而随着TPI含量的增加，热重损失增加，其中20%含量的TPI/TI混合物的热重损失最高。
　　
 
　　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转化率下反应物的流动性，导致固化程度较低和交联密度较低。TPI含量越大，TPI/TI混合物的热稳定性越低，但总体下降并不算多，上表列出了热稳定性和耐热性数据。
　　
　　结合动态机械分析（DMA）和热重分析量热法（TGA），可以发现：与纯PI树脂相比，引入TPI对固化PI树脂的初始分解温度（T5%）影响不大。固化树脂的T5%和T10%值分别在533-563°C和571-585°C之间，TPI的含量对最大分解速率几乎没有影响。向PI树脂系统中添加适量的TPI不会显着降低固化PI树脂的热稳定性或耐热性。
　　
 
　　3、韧性大幅提升，机械性能随比例发生变化
　　
　　上表列出了TPI、PI和TPI/PI混合物的机械性能。TPI表现出优异的拉伸和弯曲强度，分别为102 MPa和141 MPa，另外还具备突出的冲击性能，冲击强度达到73.6 kJ/m2，比纯PI高出五倍，但TPI的拉伸模量和弯曲模量低于纯PI。随着TPI含量的增加，TPI/PI混合物的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和冲击强度先增加后减少。15%含量的TPI/PI混合物表现出优异的机械性能，其拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和冲击强度分别比纯PI提高了25.68%、26.93%、10.89%和45.51%，表明TPI的增韧效果显着。但由于混合物的粘度过高，C≡C官能团的固化受到抑制，因此P20%含量的TPI/PI混合物的机械性能低于15%含量的TPI/PI混合物。
　　
 
　　上图显示，固化PI树脂的断裂表面光滑，表现出典型的脆性特征。相比之下，15%含量的TPI/PI混合物的断裂表面表现出韧性断裂特征，表明TPI和PI之间具有良好的相容性，TPI的引入显着提高了PI的韧性。
　　
 
　　制备CF/PI复合材料后机械性能和韧性变化
　　
　　1、机械性能：将纯PI和不同含量的TPI/PI混合物分别与碳纤维制备成不同的CF/PI（TPI）复合材料试样，并进行机械性能相关的测试，上表列出了对应试样的机械性能数据。数据显示，引入TPI对PI复合材料的机械性能没有明显的负面影响，其中层间剪切强度的保持率大于92%，损失较小。
　　
 
　　2、冲击后压缩强度（CAI）：冲击后压缩强度（CAI）是表征复合材料韧性的重要指标，上图显示了不同TPI含量的TPI/PI混合物制备的CF/PI复合材料的冲击后压缩强度（CAI）强度。其中纯高温PI复合材料的CAI强度为176 MPa，而随着TPI含量的增加，复合材料的CAI强度先增加后减少。当TPI含量为10%时，CAI最大值达到190 MPa，比PI系统高7.95%，15%TPI含量的CAI同样高于纯PI复合材料的CAI，当TPI含量达到20%时，由于熔体粘度增加，CAI为152MPa，下降了13.6%。
　　
 
　　通过多项测试和数据分析，智上新材认为将适当比例（10%~15%）的热塑性聚酰亚胺（TPI）与热固性聚酰亚胺（PI）混合，可以保证在耐热性、热稳定性和机械性能不出现较大损失的前提下，大幅提升树脂基体的韧性，为后续制备复合材料及应用方向上提供更大的应用空间。