聚偏氟乙烯基复合材料的结构调控与介电性能研究

发布时间：2016-11-14 16:10

  本文关键词：聚偏氟乙烯基复合材料的结构调控与介电性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《武汉理工大学》 2014年

聚偏氟乙烯基复合材料的结构调控与介电性能研究

李海蓉  

【摘要】：渗流型聚合物基复合材料由于兼备了高介电性能和良好的可加工性而受到了越来越多的关注，在储能领域具有广阔的应用前景。然而，目前高介电常数、低介电损耗和低填充量三者尚难以同时实现，严重影响了聚合物基介电复合材料的实际应用。本论文通过聚合物基复合材料的结构设计，调控材料的介电性能，深入探索复合材料结构与介电性能间的内在关系。本论文研究了导电填料的粒子形貌、表面结构及复合材料界面结构对聚偏氟乙烯基复合材料的介电性能的影响。通过对银粒子和石墨烯进行表面包覆，改善其与聚合物基体的界面相容性，促进界面极化，提高介电性能。通过复合材料结构设计、界面结构优化和导电粒子微观分布形态的调控，实现了对聚合物基复合材料介电性能的有效提升。同时针对高集成系统应用的材料热传导问题，提出了在提高介电性能的同时改善材料导热性能的结构模型和具体策略。主要研究内容和结果如下： 1、分别将微米银粉（m-Ag）和纳米银粉（n-Ag）与聚偏氟乙烯（PVDF）熔融共混，通过热压成型方法制备了m-Ag/PVDF和n-Ag/PVDF两种复合材料。利用粒径分析和X射线衍射（XRD）对比了两种银粒子的结构差异。纳米复合体系的单位体积界面面积较微米体系高一个数量级，而其粒子间距比微米体系低三个数量级以上。对复合材料进行介电性能测试，研究了界面面积和粒子间距等因素对复合材料介电性能的影响。通过对比发现，n-Ag/PVDF复合体系较m-Ag/PVDF体系具有更高的介电常数；在渗流阈值附近，n-Ag/PVDF和m-Ag/PVDF复合材料的介电常数差距最大，分别为1219和165（100Hz）。在相同填充量时，由于纳米银尺寸更小而比表面积更大，纳米复合体系中具有更多的界面，使得纳米银粒子与PVDF基体更好结合的同时提高了界面极化程度。 2、利用多巴胺自聚在银纳米粒子表面包覆了聚多巴胺（PDOPA）绝缘层，制备出了具有核壳结构的Ag@PDOPA纳米粒子，再通过溶液共混法将其与PVDF复合，制备了Ag@PDOPA/PVDF复合薄膜。透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和热重分析（TG）结果表明聚多巴胺成功地包覆在银纳米粒子的表面，形成了具有核壳结构的纳米粒子。对复合薄膜进行介电性能测试发现，与未包覆的Ag/PVDF复合薄膜相比，Ag@PDOPA/PVDF体系的渗流阈值明显提高，且在相同填充量时，复合体系具有更低的介电损耗。银粒子表面的聚多巴胺层结构中大量的羟基、氨基和亚氨基，与PVDF之间形成氢键，发生了极性相互作用，使填料与聚合物基体间有更好的界面结合。 3、采用PVP同时作为Ag纳米粒子合成的稳定剂和绝缘包覆层，制备了Ag@PVP核壳纳米粒子，与PVDF复合后得到的Ag@PVP/PVDF复合材料具有良好的介电性能，在填充量为17vol.%时，复合材料的最高介电常数为126，达到PVDF基体的10倍以上。在整个频率范围内，复合材料的介电损耗保持在较低水平，当频率高于105Hz时，复合材料的介电损耗甚至低于纯PVDF的介电损耗。PVP结构中的酰胺基与PVDF具有较强的相互作用，有助于提高两者间的界面相容性，从而能有效防止银粒子的团聚，使Ag@PVP粒子在PVDF基体中获得更均匀的分散效果，同时，较高的界面结合强度也有利于降低复合材料的介电损耗。此外，两者间较强的极性相互作用也促进了复合材料的界面极化，最终使得复合材料的介电性能显著提高。 4、采用简单的混合、固化、粉碎方法，将Ag微米粒子与乙烯基环氧树脂复合，得到以乙烯基环氧树脂为壳，银粒子为核的Ag/EVER复合颗粒，再将其与PVDF基体热压复合制备出具有双重界面结构的Ag/EVER/PVDF三相柔性复合材料。Ag/EVER颗粒以团聚体形式在PVDF基体中呈海岛状分布，团聚体之间被PVDF基体隔开；这种材料结构有利于在银粒子-乙烯基环氧树脂界面和乙烯基环氧树脂-PVDF界面产生双重界面极化，从而提高复合体系的介电性能，使微米Ag体系的介电性能达到纳米Ag体系的水平。当银粒子的体积分数达到15.3vol.%时，在100Hz条件下，复合材料的介电常数达到113.1；在整个频率范围内，复合材料表现出良好的频率稳定性及较低的介电损耗，100Hz时的损耗角正切值始终低于0.1。银粒子表面乙烯基环氧树脂的交联结构有助于降低复合材料的介电损耗，双重界面结构在一定程度上改变了PVDF的特征介电松弛。 5、以石墨为原料制备了氧化石墨烯（GO），利用PVP对GO进行包覆、还原处理后得到rGO-PVP纳米片，采用溶液共混及热压处理工艺制备了具有良好柔韧性的rGO-PVP/PVDF复合薄膜。PVP与石墨烯之间主要通过非共价键结合，不影响石墨烯的结构完整性。PVP有助于提高rGO与PVDF间的结合强度，从而限制了界面附近PVDF分子的链段运动，诱导α晶向β晶的转变。介电性能测试分析显示，rGO-PVP/PVDF复合材料的渗流阈值远高于rGO/PVDF。在渗流阈值附近，rGO-PVP/PVDF复合薄膜的介电常数达到622，为rGO/PVDF的4.5倍；rGO-PVP/PVDF复合薄膜的介电损耗在整个频率范围内都控制在较低水平。PVP包覆的石墨烯与聚合物基体相容性较好，复合材料中rGO-PVP纳米片能够达成有序、伸展的排列方式，具有连续的平行排列结构，有利于在体系中形成大量的纳米电容器结构。PVP的引入显著改善了复合材料的界面相容性和石墨烯在聚合物基体中的分散性，，使rGO-PVP/PVDF复合体系在具有优异介电性能的同时也保持了良好的导热性能。

【关键词】：
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB33
【目录】：

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