Incorporation of Multifunctional Polar Groups into Thermoset Polyimide Films for Heat-Resistant Adhesive Applications

材料科学 聚酰亚胺 胶粘剂 热固性聚合物 玻璃化转变 润湿 凝聚力(化学) 复合材料 极地的 表面能 粘附 电介质 氢键 化学工程 基质(水族馆) 混溶性 高分子化学 热稳定性 分子动力学 粘接 表面改性 热膨胀 活化能 粘弹性 化学极性 热的 结合能 聚合物 表面张力
作者
Ziteng Guo,Bo Zhao,Ziyi Wang,Kang Xie,Wen Zhang,Zhihua Li
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c04423
摘要

Developing high-temperature polyimide (PI) adhesives requires the simultaneous enhancement of bulk cohesive strength and interfacial adhesion. In this work, a 3,3′,4,4′-benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA)/4,4′-oxidianiline (ODA)-based phenylethynyl-terminated PI system was modified via a 30k/8k molecular weight blend strategy to prepare processable, self-supporting adhesive films. To enhance performance, three distinct polar diamines (sulfone, amide, cyano) were introduced to replace a portion of the ODA. This strategy aimed to strengthen substrate wetting for improved interfacial adhesion and to reinforce bulk cohesion through hydrogen bonding. It is confirmed that the amide-containing sample (PI-A50) was the most effective, showing the highest polarity with a dielectric constant of 3.9 and the highest total surface energy of 51.87 mJ/m2. It has also maintained excellent thermal stability, with a glass transition temperature (Tg) of 317 °C and a temperature at 5% weight loss (Td5%) of 537 °C. Molecular dynamics (MD) simulations revealed the unique synergistic mechanism for its superior performance. The –CONH– group not only showed a stronger interfacial binding energy with the Al (111) substrate, calculated at −19048.7 kcal/mol, but also formed the densest interchain hydrogen bond network, which explains why it achieved the highest cohesive energy density of 200.42 J/cm3 and the lowest fractional free volume of 44.28%. This simultaneous strengthening of both bulk cohesion and interfacial adhesion is the key to its enhanced performance.
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