近年来,聚酰亚胺(PI)因其突出的耐热性、尺寸稳定性和综合性能,在柔性有机电致发光显示器件(FOLED)的封装领域展现了广阔的市场前景。但是,由于聚酰亚胺薄膜对水蒸气和氧气的阻隔性能较差,限制了其在FOLED封装领域的应用。然而,聚酰亚胺分子结构具有较强的可设计性,为改善其阻隔性能提供了巨大的潜力。此外,随着纳米材料及其相关技术的飞速发展,纳米复合也为高阻隔聚酰亚胺的发展提供了有利路线,现已成为提高聚酰亚胺薄膜阻隔性能重要的技术之一。本论文通过探索聚酰亚胺分子链结构、聚集态结构以及薄膜制备工艺等与阻隔性能之间的关系,结合分子动力学模拟,选取含刚性平面结构和极性基团的二酐/二胺单体,聚合得到分子链堆砌紧密、结晶度高、自由体积小的高阻隔本征型聚酰亚胺。在此基础上,根据Nieslen模型,将片层结构的无机纳米填料均匀分散在聚酰亚胺基材中,制备得到高剥离、高分散、高取向的“双平面”聚酰亚胺纳米复合材料,进一步提高其阻隔性能。采用热失重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、动态热力学分析(DMA)、热机械分析(TMA)、透射电子显微镜(TEM)、偏光显微镜(POM)、X-射线衍射(XRD)、正电子湮没寿命谱仪(PALS)、水蒸气透过率测定仪和氧气透过率测定仪等对聚酰亚胺薄膜的结构与性能进行了测试。具体研究内容与结果如下:(1)以DABA和PMDA为原料,采用两步法制备得到主链上含刚性平面结构和极性基团的DABPI薄膜。DABPI的结构与性能测试结果表明:DABPI薄膜为半结晶型聚合物,且结晶度高达39.3%。根据2D-XRD测试表明,DABPI晶体具有明显的取向,且取向方向几乎平行于膜的表面,极大的延长了渗透分子的扩散路径。DABPI的透湿系数和透氧系数分别为3.57 g-mil/[m2-day]和5.61 cc-mil/[m2-day],而采用相同制备工艺得到的Kapton薄膜的透湿系数和透氧系数高达148.67 g-mil/[m2-day]和465.83 cc-mil/[m2-day]。相较自制Kapton薄膜,DABPI的透湿系数和透氧系数均下降了近两个数量级。此外,DABPI薄膜还具有优异的热稳定性能,5%的热失重温度达542°C,热膨胀系数(50~300°C)为-3.23 ppm/K。(2)以DABA、ODA和PMDA为原料,探索两步法制备聚酰亚胺薄膜过程中,不同制备工艺(固含量、固化温度、厚度等)对聚酰亚胺薄膜聚集态和阻隔性能的影响。聚酰亚胺薄膜的结构与性能测试结果表明:高固含量(≥12%)合成含刚性平面结构和极性基团的聚酰胺酸(PAA)胶液具有明显的“溶液化结晶”现象,限制了聚酰胺酸分子链在溶剂中的移动性,不利于薄膜成型过程中有序结构的形成;薄膜固化过程中,较低的升温速率有助于残余溶剂的挥发和热酰亚胺化产生的水分的逸出,薄膜在厚度方向的收缩使得分子链在面内取向;聚酰亚胺薄膜厚度越薄,分子链取向越明显,相应的热膨胀系数越小,阻隔性能越好。当聚酰胺酸的固含量为9%,固化温度高于玻璃化转变温度,薄膜厚度为10 um时,DABPI薄膜的氧气透过率为3.41 ccmil/m2-day,水蒸气透过率为1.16 g-mil/m2-day。(3)基于前面的研究基础,分别选取层状纳米粒子蒙脱土(MMT)和石墨烯(G),分别制备聚酰亚胺纳米复合材料。聚酰亚胺复合薄膜的结构与性能测试表明:层状纳米填料在基材中分散均匀,且具有明显的取向。由于片层填料的取向和成核作用,聚酰亚胺纳米复合薄膜的结晶度显著提高,阻隔性能和热稳定性进一步改善。当蒙脱土和石墨烯的添加量分别为5 wt%和0.5 wt%时,聚酰亚胺纳米复合材料的阻隔性能下降最为显著。相比于本征型DABPI薄膜,DABPI/MMT复合薄膜的透氧系数和透湿系数分别为1.82 cc-mil/[m2-day]和0.8 gmil/[m2-day],分别下降了79%和73%;DABPI/G复合薄膜的透氧系数和透湿系数分别为0.69 cc-mil/[m2-day]和0.44 g-mil/[m2-day],分别下降了92%和85%。