半导体苯并菲侧链型液晶高分子调控PVDF膜的介电性能的研究

发布时间：2021-04-16 09:00

　　聚合物电介质材料因为本身的易加工性能、非常良好的柔韧性能以及优秀的电性能在现代电力供应和可再生能源系统中具有良好的发展前景。然而,大多数聚合物的介电常数（ε）很低（<10）,增加了介质储能领域的材料体积。因此,如何提高聚合物材料的介电常数成为研究热点。目前,制备高介电常数聚合物材料的主要方式有两种。一种是聚合物合金材料,其材料具有易加工、质量轻、柔性好等特点,但不足之处在于添加的聚合物功能性问题和聚合物间相容性问题。另一种是聚合物基纳米复合材料,其材料可以结合聚合物基体与陶瓷纳米颗粒的优点,具有潜在的高介电、低损耗和高储能的特性。然而在实际研究中,陶瓷纳米颗粒在聚合物基体中分散性和相容性差以及界面问题,导致复合材料的介电储能性能下降。半导体苯并菲侧链型液晶高分子具有较高的电子迁移率、自组装有序性、良好的溶解加工性能、分子量可控、易于合成等特点。这些特性对聚合物共混以及无机陶瓷纳米粒子的表面修饰是极为有利的。因此,本论文针对聚合物共混合金以及陶瓷/聚合物介电复合材料存在的问题,做了如下研究:（1）采用传统的自由基聚合法和可逆加成断裂链转移法合成了三种p型半导体苯并菲盘状侧链液晶聚合... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

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SEM图像：(a)PPy纳米切片，(b)含7wt%PPy纳米切片的单层材料的顶表面

(PrGO-0.1wt%)时，可得到几乎全部为β相的聚偏氟乙烯(PVDF)，其介电常数随rGO含量的增加而增大。在1kHz时，PrGO-0.1介电常数增大到41。当β相含量接近100%时，与纯PVDF相比，PrGO-0.1薄膜的压电常数和剩余极化分别提高了78.6%和69.3%，成为复合薄膜中最高的。rGO还在很大程度上提高了PVDF复合材料的力学性能。结果表明，0.1wt%rGO含量的PVDF/rGO复合薄膜比纯PVDF具有更好的压电和铁电性能。1.6界面极化理论模型不同种类的纳米材料(从非导电纳米材料到导电纳米材料)的加入显著影响了所得到的介电纳米复合材料的整体性能。图1-8展示了聚合物复合材料填料与基体间的界面示意图。其中Lewis模型和Tanaka模型比较生动形象地阐述了聚合物纳米复合材料中界面的存在以及界面的作用，这两个模型将在下面讨论。图1-8聚合物复合材料(a)微米尺寸颗粒和(b)纳米尺寸颗粒的界面示意图纳米复合材料的性能可以使用Tanaka多核模型来理解。如图1-9所示，在该模型中，界面区域的三个层被区分和指定为粘结层(第一层)、有界层(第二层)和松散层(第三层)，并且这三层都只是与电双层模型中的Gouy-Chapman扩散层重叠。第一层作为过渡层，通过偶联剂与无机粒子和聚合物基体紧密结合。第二层是由与第一层强相互作用的高分子链和纳米颗粒构成的，这一层的厚度由聚合物-粒子相互作用的强度决定，通常在2-9nm的范围内。在第三层中，聚合物链的构象、迁移率、结晶度和自由体积与基质不同，是由于第二层的疏松偶联和相

湘潭大学硕士学位论文14互作用导致的。图1-9Tanaka提出的多核模型结构示意图为了描述界面的电和介电行为，Lewis[90]将扩散双电层模型扩展到了聚合物纳米复合材料。往聚合物基质添加纳米颗粒时，由于两者的费米能级或化学势不同，纳米颗粒的表面会带电。带电表面在周围聚合物中诱导屏蔽离子电荷，进而抑制粒子上的电荷积累。通常，屏蔽离子电荷在聚合物侧以两种方式产生。一方面，它们可能是由聚合物的极化引起的，其中包括永久偶极子的电子极化和取向，这通常发生在聚合物含有极性组分的情况下。另一方面，由于库仑吸引，移动电荷在聚合物侧的迁移和重新分布可能导致所谓的双电层形成。图1-10显示了当纳米颗粒在纳米复合材料内带正电荷时在纳米颗粒/聚合物界面上的电荷分布。在粒子方面，由纳米粒子中不活动带电杂质、俘获载流子、可移动电子和空穴相关的表面态形成具有正电位的层。紧接着，带负电荷的反离子或偶极子被紧密地吸引到粒子表面，形成所谓的斯特恩或亥姆霍兹双层，外层是亥姆霍兹平面，进一步延伸到聚合物基体中的是古伊-查普曼扩散层，它形成在斯特恩层的外面和周围，由负离子和正离子分布。这一层的大小取决于聚合物中的离子浓度以及颗粒表面与聚合物基体之间的电位差。其中，填充运动电荷的Gouy-Chapman层对纳米粒子的分散性和介电性能方面有不可小觑的影响。图1-10复合材料界面区域Lewis模型的电荷分布示意图


本文编号：3141135