動態(tài)可持續(xù)聚酰亞胺電介質(zhì)材料應(yīng)用與進展

萬寶全，查俊偉,2*

(1.北京科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100083；2.北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083)

聚酰亞胺（PI）電介質(zhì)材料因其獨特的分子結(jié)構(gòu)而具有高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的機械和絕緣特性等，被廣泛應(yīng)用于電機[1]、變壓器[2]、柔性屏幕[3]等電工電子設(shè)備的設(shè)計制作中。目前，設(shè)備的多參量化、智能化是發(fā)展智能電網(wǎng)和大數(shù)據(jù)智能的核心。除升級設(shè)備的多參量化外，生產(chǎn)設(shè)備利用聚酰亞胺材料的特性，如類似于合金的形狀記憶功能，可逆的熱、電致變色行為及損傷后材料的可回收和自愈的能力，也是促進電力電子系統(tǒng)智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。因此，通過動態(tài)聚酰亞胺調(diào)控自身形狀記憶[4-5]、可修復(fù)[6]、可回收[7-8]等多種關(guān)于智能化特性的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

隨著社會生產(chǎn)發(fā)展，人們對聚酰亞胺、聚芳醚酮等特種塑料的需求日益劇增[9-10]。2021年全球聚酰亞胺市場銷售額達到了7.20億美元，預(yù)計2028年將達到9.8億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為4.6%（2022—2028年）[11-12]。聚酰亞胺具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，較多芳香結(jié)構(gòu)以及緊密的分子鏈間交聯(lián)導(dǎo)致自身具有異于常見塑料的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，這既成就了聚酰亞胺能夠適應(yīng)高溫、高壓等惡劣環(huán)境的能力，也造成了大量的資源和經(jīng)濟浪費[13-14]。聚酰亞胺材料在服役期間由于內(nèi)外熱、電、機械應(yīng)力的作用，將形成不同程度的缺陷，這些缺陷會不斷生長、擴大，進而導(dǎo)致設(shè)備的故障，甚至造成災(zāi)難性破壞[15-16]。而由于聚酰亞胺自身強的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分子鏈間相互作用，這些損傷退下的材料不能得到及時的更換、處理、回收和修復(fù)，會造成大面積的堆積或大規(guī)模的焚燒，就會造成嚴(yán)重的資源浪費和環(huán)境污染。

近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展推進，人們對環(huán)境友好的聚酰亞胺電介質(zhì)絕緣材料的需求愈加迫切，其中具有優(yōu)異形狀記憶特性[17-18]、自修復(fù)能力[19-20]、降解特性[21-22]、可回收特性[23-24]和響應(yīng)涂層[25]的智能聚酰亞胺的研究開始受到重視。材料自身分子結(jié)構(gòu)的可逆設(shè)計和動態(tài)交聯(lián)的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計是發(fā)展動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料的主要技術(shù)。目前這些技術(shù)主要表現(xiàn)在：聚酰亞胺單體分子結(jié)構(gòu)的可逆鍵加成；聚酰亞胺分子鏈間的動態(tài)交聯(lián)設(shè)計或者聚酰亞胺自身與其他聚合物的共聚、共混工藝。如圖1所示，這些技術(shù)有力聯(lián)系起修復(fù)、降解和回收之間的行為特性，同時這些技術(shù)在應(yīng)對聚酰亞胺高額經(jīng)濟浪費、改善生產(chǎn)環(huán)境和聚合物循環(huán)利用方面具有重要意義。

本文綜述了近年來國內(nèi)外在動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料領(lǐng)域的研究進展。宏觀到聚酰亞胺基體與其他聚合物共混，微觀到分子鏈之間的共聚、分子鏈之間的動態(tài)交聯(lián)以及微觀上的單體分子結(jié)構(gòu)設(shè)計等3個方面。重點介紹了絕緣領(lǐng)域用聚酰亞胺薄膜電損傷后的降解、回收和自愈問題，評價了機械損傷后自愈與電損傷之間的關(guān)系。最后，指出了目前動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料發(fā)展中仍存在的問題，并對其研究方向進行了展望。

1 自修復(fù)聚酰亞胺電介質(zhì)材料

在生產(chǎn)及服役過程中，聚酰亞胺電介質(zhì)材料內(nèi)外會承受各種高溫、高場、高強度應(yīng)力的作用，當(dāng)這些應(yīng)力超過聚酰亞胺自身承受能力時，便形成一系列損傷，即熱損傷[26-27]、機械損傷[28]或者電損傷[29-30]。自修復(fù)聚酰亞胺材料能夠?qū)崿F(xiàn)損傷后材料的循環(huán)利用，因此，研究自修復(fù)聚酰亞胺電介質(zhì)材料是資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵要素之一。近幾年，研究人員分別通過外援聚合物共混、自修復(fù)聚合物共聚及開發(fā)新型聚酰亞胺單體等方法實現(xiàn)了聚酰亞胺電介質(zhì)材料的自修復(fù)。

1.1 共混技術(shù)驅(qū)動聚酰亞胺實現(xiàn)自修復(fù)

目前，解決機械損傷（沖擊、磨損、劃傷、掉落和切屑等）的主要方法是添加硬質(zhì)涂層[31-32]。但是，因為柔性顯示器發(fā)生結(jié)構(gòu)變化和形狀變形時，涂層材料很脆弱，因此，硬質(zhì)涂層材料不能用于柔性顯示器[33]。隨著研究人員的發(fā)掘，在柔性顯示器被破壞情況下，自修復(fù)材料優(yōu)于硬涂層材料[34-35]。而根據(jù)愈合機制的不同，常見的自愈合材料可分為外援型和本征型。外援型自愈合材料通常是通過膠囊或載體中釋放的可聚合或可交聯(lián)的溶劑來實現(xiàn)自愈合，其治療能力是由剩余的藥劑數(shù)量決定，一旦藥劑耗盡，在同一地方進行自愈的能力就永久喪失，修復(fù)的次數(shù)少而有限，并且制備工藝極其復(fù)雜；本征型自愈合材料則是通過自身的可逆鍵作用或者利用不同基質(zhì)中各成分之間特定、可逆的相互作用進行修復(fù)，這樣能夠多次重復(fù)修復(fù)相同的受損區(qū)域，并且更易實現(xiàn)材料的制備。

研究人員表示物理粘接系統(tǒng)更適合開發(fā)用于日常生活展示應(yīng)用的自愈合材料。在基于物理粘接系統(tǒng)的自愈合材料中，聚氨酯（PU）能夠從凹痕中自愈合且具有高透明度，故而成為最有前途的用于柔性顯示的材料之一；然而，聚氨酯的機械性能很差，不能滿足實際應(yīng)用。為了解決上述問題，Lee等[36]報告了一種新型基于傳統(tǒng)聚氨酯與功能聚酰亞胺混合的自愈合聚合物材料，能夠有效地修復(fù)表面凹陷和撕裂，并克服聚氨酯的局限性；與傳統(tǒng)的自修復(fù)材料不同，該共混體系具有優(yōu)越的表面和整體力學(xué)性能，聚酰亞胺/聚氨酯共混物的表征及修復(fù)特性如圖2所示[36]。通過對紅外光譜分析（圖2（a）），建立了提高材料自修復(fù)性能和力學(xué)性能的機理模型（圖2（b））；當(dāng)將酰亞胺基團引入已經(jīng)通過氫鍵連接的兩個氨基甲酸酯基團時，酰亞胺基團將破壞現(xiàn)有的氫鍵，并與兩個氨基氨基甲酸酯中的一個相互作用，以產(chǎn)生更強的氫鍵；聚氨酯中的聚氨酯基團與聚酰亞胺中的亞胺基團之間具有很強的超分子相互作用，形成了獨特的分子間網(wǎng)絡(luò)，從而形成了優(yōu)異的自修復(fù)性能和力學(xué)性能（圖2（c）、（d））。

圖2 聚酰亞胺/聚氨酯共混物的表征及修復(fù)特性[36]Fig.2 Characterization and self-healing ability of polyimide/polyurethane blends[36]

形狀記憶聚酰亞胺（SMPI）是一種典型的高溫形狀記憶聚合物[37-38]，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[39-40]。Kong等[41]將形狀記憶聚酰亞胺和可熔熱塑性聚苯乙烯（PS）結(jié)合制備自修復(fù)聚酰亞胺復(fù)合材料，其中聚酰亞胺和聚苯乙烯構(gòu)成相分離共混物，如圖3（a）所示；當(dāng)溫度在復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（243 ℃）之上時，復(fù)合材料可以有效修復(fù)裂紋、穿孔和切割，因為材料本身的形狀記憶效應(yīng)可以關(guān)閉損傷，而熔融聚苯乙烯可以流動修復(fù)損傷，共混物的修復(fù)機理如圖3（b）所示；多種破壞形式下完全修復(fù)的光學(xué)照片如圖3（c）所示。

圖3 聚酰亞胺/聚苯乙烯共混物的修復(fù)特性[41]Fig.3 Self-healing ability of polyimide/polystyrene blends[41]

通過與其他聚合物共混制備自修復(fù)聚酰亞胺復(fù)合材料的技術(shù)能夠基本完成機械損傷后的自修復(fù)，其工藝簡單，可操作性強。然而，共混工藝中不同聚合物之間的性能差異較大，會造成嚴(yán)重的相分離，即使這有助于復(fù)合材料的自修復(fù)行為，但同時也降低了聚酰亞胺復(fù)合材料的綜合性能和穩(wěn)定性，從而影響材料成型后的強度，不利于設(shè)備的生產(chǎn)應(yīng)用。因此，從聚酰亞胺本身分子鏈的角度考慮共聚或接枝改性實現(xiàn)自修復(fù)或許是更加通用的策略。

1.2 共聚工藝鑄造聚酰亞胺動態(tài)分子鏈

具有較低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物的分子鏈運動更加容易被控制，因此，這種聚合物被認(rèn)為是共聚工藝中首選的材料。在剛性聚酰亞胺分子鏈上共聚柔性分子鏈能夠在保證材料自身強度和熱穩(wěn)定性的同時具有自修復(fù)特性；但是，聚酰亞胺自身較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會阻止柔性鏈段的相互作用從而影響自修復(fù)能力。因此，可自愈聚酰亞胺材料中聚酰亞胺的剛度和被共聚柔性鏈之間的平衡決定其是否具有優(yōu)異的自愈性、強度和熱穩(wěn)定性。

Yu等[42]開發(fā)了一種由柔性段和剛性段共聚交聯(lián)的自修復(fù)聚酰亞胺共聚物，并且將其均勻填充到垂直排列的碳納米管的空隙中，其模型如圖4（a）所示；制備得到的復(fù)合材料具有超強的自修復(fù)能力，能夠完整修復(fù)多種破壞方式產(chǎn)生的缺陷，修復(fù)前后的SEM圖如圖4（b）所示，其中，Ⅰ為材料中垂直于排列方向被切割的損傷形式，Ⅱ為將導(dǎo)熱材料的電極從復(fù)合組分中分離出來的損傷形式；如圖4（c）所示，修復(fù)后的材料仍然表現(xiàn)出較高的熱導(dǎo)率（約10.83 W·m-1·K-1）、較低的界面熱阻（約6.83 K·mm2·W-1）、較高的彈性壓縮變形量（2.5 MPa時為30 %）和較強的表面黏附力（0.3 MPa）；在80 ℃、80 h條件下自修復(fù)后，彈性模量恢復(fù)90.8 %，熱阻恢復(fù)92 %；Ⅰ、Ⅱ型和摻雜碳納米管（R-VCNTs）的材料的修復(fù)效率如圖4（d）所示。

Lei等[43]首先合成超支化聚硅氧烷，然后通過共聚縮合反應(yīng)將其引入聚酰亞胺分子鏈中，制備了一種具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性、高光學(xué)透明度、良好機械強度和優(yōu)異耐原子氧侵蝕的新型空間自修復(fù)型聚酰亞胺。該聚酰亞胺的質(zhì)量損失隨超支化聚硅氧烷添加量和原子氧濃度的增加而降低，原始聚酰亞胺在原子氧暴露后明顯粗糙，而自修復(fù)聚酰亞胺的表面形貌則不一。實際上，當(dāng)自修復(fù)聚酰亞胺與原子氧接觸時，表面的有機聚酰亞胺首先降解，最終形成二氧化硅保護層，使表面能夠自修復(fù)，這種新型材料有望替代在太空環(huán)境下運行的航天器中廣泛使用的Kapton。

然而，從研究的結(jié)果可以看出，柔性鏈段的引入雖然可以實現(xiàn)聚酰亞胺基體的自修復(fù)，且具有較高的自愈效率，但是由于柔性鏈段的低熱穩(wěn)定性，也降低了聚酰亞胺材料本身高的熱穩(wěn)定性和強度。而這也將影響聚酰亞胺電介質(zhì)材料在高溫、高電場、高應(yīng)力場景下的應(yīng)用效率。因此，需要進一步從單體角度考慮引入可逆基團或可逆鍵的作用來實現(xiàn)自修復(fù)并保證材料自身高的熱穩(wěn)定性和強度。

1.3 新型分子結(jié)構(gòu)單體制備自修復(fù)聚酰亞胺

一般來說，全芳香族聚酰亞胺是玻璃聚合物，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達200 ℃或更高[44-45]。因此，與彈性體等軟材料不同的是，聚酰亞胺在低溫下極難表現(xiàn)出自修復(fù)性能，或者說需要較復(fù)雜的條件才能修復(fù)損傷。

Kim等[46]提出了一種新型自修復(fù)聚酰亞胺薄膜的制備方法，制備的薄膜不受重復(fù)變形造成的損傷，同時表現(xiàn)出高透明度及出色的熱性能和機械性能。通過使用新型的脂肪二胺單體調(diào)控聚酰亞胺的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，同時利用含有大量三氟甲基官能團的酸酐單體解決脂肪二胺堿度高導(dǎo)致分子量降低的問題，最后再通過含有可逆共價鍵的新型單體實現(xiàn)聚酰亞胺損傷后的自修復(fù)。制備的自修復(fù)聚酰亞胺薄膜具有可調(diào)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高的透過率（＞95%）及超高的自愈效率（＞98%），此外，還依然保留著較高的機械強度（100 MPa）。該種自修復(fù)透明聚酰亞胺有望被應(yīng)用于具有靈活功能的柔性電子設(shè)備和智能顯示器市場。

實際上，具有高強度和優(yōu)異穩(wěn)定性的聚酰亞胺電介質(zhì)材料更多地被應(yīng)用于電機設(shè)備、介質(zhì)電容器或變壓器等高絕緣領(lǐng)域。聚酰亞胺材料由于長期在高壓力和高電場下應(yīng)用而會造成缺陷和損傷，包括機械損傷和電損傷（電暈損傷或擊穿破壞）。目前，對于聚酰亞胺材料損傷后修復(fù)的研究還比較少，對于各種電損傷后的自修復(fù)研究更是少之又少。因此，研究電損傷后能自修復(fù)的聚酰亞胺電介質(zhì)材料對推動智能聚酰亞胺領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。

Wan等[6]研究了完全和部分可逆結(jié)構(gòu)對聚酰亞胺材料內(nèi)外缺陷可修復(fù)性的影響規(guī)律；同時，通過分子結(jié)構(gòu)中可逆基團和柔性鏈段的共存，合成了一種具有良好絕緣性能、力學(xué)性能和自修復(fù)性能的共聚酰亞胺薄膜；在一定的壓力和溫度下，動態(tài)鏈上的二硫鍵與損傷過程中產(chǎn)生的分子鏈二硫鍵自由基發(fā)生反應(yīng)，從而使聚酰亞胺損傷部位自愈合。區(qū)別于傳統(tǒng)機械破壞后的自修復(fù)，熱固性聚合物在電損傷后的自我修復(fù)被認(rèn)為是極其困難的。而Wan等[6]制備的兩種比例的共聚薄膜（CPI-100和CPI-91）在常見的電暈損傷后能實現(xiàn)較好的自愈合。

共聚聚酰亞胺的修復(fù)及擊穿特性如圖5所示[6]。CPI-100和CPI-91薄膜在電暈損傷后的自愈過程如圖5（a）所示，圖5（a）中，Ⅰ為發(fā)生藍紫光的特殊電暈現(xiàn)象。經(jīng)過20 kPa、200 ℃的熱壓處理，由于二硫化物鍵的交換，電暈損傷的CPI-100薄膜表面變得平滑，似乎修復(fù)了電暈損傷后出現(xiàn)的裂痕和溝壑。測試修復(fù)前后薄膜的擊穿強度可衡量薄膜的自修復(fù)能力。

圖5 共聚聚酰亞胺的修復(fù)及擊穿特性[6]Fig.5 Self-healing ability and breakdown strength of copolyimide[6]

CPI-100和CPI-91薄膜表面修復(fù)前后的SEM圖像如圖5（b）所示。由圖5（b）可見，熱壓條件下的修復(fù)效果明顯，修復(fù)后薄膜表面的溝壑和裂痕被填充。

對原始、損傷后及自修復(fù)后的CPI-100薄膜進行擊穿強度測試，結(jié)果如圖5（c）所示。由圖5（c）可見：自修復(fù)后的CPI-100薄膜擊穿強度有所提高，這可能是由于熱壓后的表面缺陷被薄膜中的與游離的二硫鍵之間的交換形成新的分子鏈修復(fù)；CPI-91薄膜的固有擊穿強度高于CPI-100薄膜，但修復(fù)后薄膜的擊穿強度的恢復(fù)程度低于CPI-100膜，這可能是由于BAPB的共聚降低了二硫鍵的含量，影響了高溫下二硫鍵的交換效率，從而影響了修復(fù)效果。

上述研究工作表明，從基體材料、分子鏈的構(gòu)成或單體的分子結(jié)構(gòu)等設(shè)計均可實現(xiàn)聚酰亞胺電介質(zhì)材料傳統(tǒng)的機械損傷和新型電損傷后的自我修復(fù)。但聚酰亞胺應(yīng)用于電工電子設(shè)備時，無法實現(xiàn)苛刻條件下的自修復(fù)。

2 可降解、可回收聚酰亞胺電介質(zhì)材料

聚酰亞胺電介質(zhì)材料的降解特性是實現(xiàn)其可回收再利用的基礎(chǔ)。材料具有降解特性的前提是分子鏈具有動態(tài)可逆結(jié)構(gòu)，在特定的環(huán)境中能夠反復(fù)解離或聚合；而再次聚合的過程則是材料重新被回收利用的過程。因此，可逆分子鏈的反復(fù)解離和聚合在進行材料降解的同時，賦予了材料回收再利用的特性。材料經(jīng)過長期服役受到機械損傷或電損傷的破壞，從而不能再次使用而被迫報廢。此時，可降解的聚酰亞胺能夠解決廢舊材料的堆積或無法處理的問題[47-48]，甚至可以通過分子鏈中化學(xué)鍵的重組，實現(xiàn)廢舊材料的回收再利用，這無疑為聚酰亞胺電介質(zhì)材料的循環(huán)再利用提供一條新的途徑[49-50]。

2.1 動態(tài)可逆鍵作用生成可降解聚酰亞胺

膜分離是一種能源高效、占地面積小的工業(yè)氣體分離技術(shù)。聚酰亞胺基聚合物由于物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和種類繁多，是制造氣體分離膜的極佳選擇。滲透性和選擇性是評價膜性能的兩個重要參數(shù)，聚合物鏈間距和聚合物鏈剛度是決定其氣體滲透性能的關(guān)鍵參數(shù)。通過對分子鏈間距和分子鏈剛度的調(diào)節(jié)和控制，能夠制備出性能優(yōu)異的聚酰亞胺分離膜；在氣體分離膜制備中，交聯(lián)分子鏈?zhǔn)浅Ｓ玫姆桨?，二胺是一種高效的聚酰亞胺交聯(lián)劑，具有明顯的氣體選擇性和抗塑化性能。這給制備動態(tài)交聯(lián)的聚酰亞胺薄膜提供了可能性，可以通過動態(tài)交聯(lián)實現(xiàn)氣體分離，同時實現(xiàn)聚酰亞胺的可逆降解。

Wu等[51]以異鄰苯二甲酸二肼（IPD）分子為交聯(lián)劑設(shè)計聚酰亞胺膜（Du-PI）中的氫鍵；此時，肼基的堿度比氨基弱得多，不會攻擊亞胺基，因此，系統(tǒng)中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。將一定量的IPD與聚酰亞胺混合，其間迅速形成氫鍵，氫鍵的引入加強了鏈間的相互作用，調(diào)節(jié)了鏈間的間距；新型復(fù)合膜與原始聚酰亞胺膜相比，機械穩(wěn)定性和抗塑化性能明顯提升。由于聚酰亞胺體系中添加了IPD，分子鏈中增添了可逆的氫鍵作用，交聯(lián)后的聚酰亞胺薄膜可以在溶液中降解，進而得到流動性較好的溶液；同時，將H2/CH4氣體的熱選擇性提高了505 %。交聯(lián)聚酰亞胺的降解及吸附特性如圖6所示[51]。

圖6 交聯(lián)聚酰亞胺的降解及吸附特性[51]Fig.6 Degradation and adsorption properties of crosslinked polyimide[51]

2.2 動態(tài)共價交聯(lián)實現(xiàn)聚酰亞胺可回收再利用

聚酰亞胺作為一種工程材料，由于其低密度、高模量、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)性和絕緣特性，被廣泛應(yīng)用于電力、微電子、航空航天和絕緣等行業(yè)[52-53]。然而，傳統(tǒng)熱固性交聯(lián)聚酰亞胺是不溶不熔的，即使在高溫下也不能解離，而且難以實現(xiàn)回收再利用，會造成嚴(yán)重的資源浪費和環(huán)境污染。

Wan等[7]通過引入席夫堿動態(tài)共價鍵形成新型動態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，制備了一種機械堅固、可回收和自愈合的聚酰亞胺薄膜（RSPI）。RSPI在電損傷后具有多重可回收性和自修復(fù)性，且由于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，薄膜仍保持了較高的絕緣性能和機械強度。交聯(lián)聚酰亞胺的回收及擊穿特性如圖7所示[7]。

圖7 交聯(lián)聚酰亞胺的回收及擊穿特性[7]Fig.7 Recyclable and breakdown strength of crosslinked polyimide[7]

由圖7可見：RSPI具有高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（大于220 ℃）；此外，其在室溫條件下可降解；由于席夫堿動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)的易解離和再聚合的能力，經(jīng)過電擊穿破壞或者電暈損傷的RSPI有望被回收再利用；原始RSPI的光滑表面形態(tài)和電擊穿破壞與電暈損傷后的RSPI出現(xiàn)不同尺寸孔洞和裂紋的表面特征；RSPI的擊穿強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低，這是由于在重復(fù)解離和聚合過程中失去交聯(lián)共價鍵所致；電暈損傷后回收的RSPI在擊穿強度的下降幅度小于電擊穿損傷后的回收RSPI，因為電暈的電損傷比電擊穿的破壞小。綜合來看，無論是電暈損傷還是電擊穿破壞后回收的薄膜均具有較高的電擊穿強度支撐聚酰亞胺薄膜的再次使用，并且具有良好的成膜性，這對于材料的可持續(xù)發(fā)展是極其可觀的。

由上可知，在傳統(tǒng)聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過分析氫鍵、亞胺鍵、二硫鍵、脲鍵等多種可逆鍵結(jié)構(gòu)的特點，將其合理設(shè)計改性后引入聚酰亞胺體系，能夠有效實現(xiàn)聚酰亞胺及其衍生物的降解和回收。由于聚酰亞胺具有較高經(jīng)濟價值，因此，可降解或可回收特性的聚酰亞胺進一步避免了大量的經(jīng)濟浪費，從而更大程度地推動了可持續(xù)性社會的發(fā)展進步。

3 問題與展望

自修復(fù)、可回收材料具有極大的工程實際應(yīng)用價值及環(huán)保意義，可促進可持續(xù)型社會的發(fā)展。高強度、優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和高經(jīng)濟價值的聚酰亞胺電介質(zhì)材料的自修復(fù)、可回收的研究更是具有重要的意義。然而，由于其自身高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高交聯(lián)度的原因?qū)崿F(xiàn)動態(tài)可逆特性是幾乎不可能的。因此，目前對于聚酰亞胺等高強度工程塑料動態(tài)的研究在起步階段，研究人員更多的還是設(shè)計使用動態(tài)交聯(lián)劑實現(xiàn)動態(tài)特性，相應(yīng)的研究性工作也相對較少。針對聚酰亞胺電介質(zhì)材料實現(xiàn)動態(tài)可逆特性的關(guān)鍵問題如下：

1）傳統(tǒng)熱固性聚酰亞胺由于分子鏈之間超強的相互作用產(chǎn)生了較高的交聯(lián)度，實現(xiàn)自修復(fù)、降解和回收是幾乎不可能的。因此，大規(guī)模地使用材料必然會造成環(huán)境污染和資源浪費。而結(jié)合動態(tài)交聯(lián)劑形成新型動態(tài)共價交聯(lián)結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)聚酰亞胺材料的動態(tài)可逆特性，但是材料的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)性、機械性能及絕緣特性下降較為嚴(yán)重。

2）新型動態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成的聚酰亞胺電介質(zhì)材料損傷后的修復(fù)條件極其苛刻：首先，需要人為將損傷點相互接觸；隨后，需要提供交聯(lián)劑或者熱壓等條件完成損傷部位的修復(fù)。此外，材料在實現(xiàn)降解和回收時需要強酸或強堿等環(huán)境的刺激，而殘留的酸或堿會給二次成型的材料帶來損傷，降低自身的性能。

3）新型動態(tài)交聯(lián)劑的設(shè)計、制備、使用具有高經(jīng)濟壓力，并且難以實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)制備，這不利于動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。

針對上述的關(guān)鍵問題，作者對后續(xù)動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料的發(fā)展給出以下幾點建議：

1）使用新型動態(tài)交聯(lián)劑實現(xiàn)聚酰亞胺材料的動態(tài)可逆特性。由于動態(tài)結(jié)構(gòu)的引入可能會降低材料自身優(yōu)異的綜合性能，此時通過添加微量有機或無機物料可實現(xiàn)復(fù)合材料性能的提升，并實現(xiàn)聚酰亞胺基體材料的自身性能的提升。此時，動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料在實現(xiàn)可逆特性的同時仍然具有較高的綜合性能來適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境。

2）動態(tài)交聯(lián)聚酰亞胺電介質(zhì)材料是在酸或堿性環(huán)境下進行降解，這樣會影響材料的二次成型。因此，通過改善工藝或者選擇交聯(lián)劑實現(xiàn)單體和交聯(lián)劑的粉末狀態(tài)回收，通過加熱完全除掉殘留的酸或堿，提升材料的回收力度，從而實現(xiàn)粉體的二次交聯(lián)成型。

3）需要開發(fā)創(chuàng)造新型的功能性單體從分子結(jié)構(gòu)水平實現(xiàn)聚酰亞胺材料的可逆特性。此外，可以利用具有修復(fù)特性的聚合物分子鏈通過共聚的手段實現(xiàn)聚酰亞胺材料的自修復(fù)或回收，此時需要注意調(diào)控好兩者之間的共聚比例，不應(yīng)過多犧牲聚酰亞胺自身優(yōu)異的綜合性能。

4）對于動態(tài)聚酰亞胺材料的未來實際工程應(yīng)用方向和前景，需要從材料的本征特性出發(fā)，結(jié)合多學(xué)科交叉，明確材料的具體適用環(huán)境場所。就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，動態(tài)聚酰亞胺材料由于保留了自身的高熱穩(wěn)定性和絕緣特性，仍然適合用于高溫、高壓、高場等惡劣環(huán)境中的設(shè)備和器件。當(dāng)動態(tài)聚酰亞胺材料被電/機械損傷失效后仍能夠多次循環(huán)利用，可有力促進可持續(xù)性電氣電子設(shè)備的發(fā)展進步。

4 結(jié) 論

本文綜述了自修復(fù)、能降解及可回收動態(tài)聚酰亞胺電介質(zhì)材料的設(shè)計思想及應(yīng)用；描述了應(yīng)對機械損傷自修復(fù)聚酰亞胺的幾種制備方法，重點介紹了絕緣領(lǐng)域中適應(yīng)電損傷的自修復(fù)或可回收的動態(tài)交聯(lián)聚酰亞胺薄膜；最后，針對目前動態(tài)智能型聚酰亞胺電介質(zhì)材料的研究進展，指出了亟需解決的相應(yīng)問題，并源于問題給出了幾點展望、思考。作者期望自修復(fù)或可回收聚酰亞胺絕緣材料在電力、電子體系中能夠發(fā)揮重要作用，推動下一代智能電工電子設(shè)備的發(fā)展應(yīng)用。