基于PVDF的全有机介电材料制备、结构与性能

【摘要】： 随着人们生活水平的不断提高,储能材料已经受到人们极大的关注。高介电薄膜因其具有高的介电性能和大的储能面积已经成为目前迫切发展的一类新型电储能材料。聚合物具有优异的成膜性能和高场储电能力,因此全聚合物介电材料为储能薄膜的开发提供了有益的途径。本文采用介电常数较高的聚偏氟乙烯(PVDF)作为基体,与极性结晶的聚酰胺(PA)进行共混,通过不同的加工方式和微观结构调控手段,制备具有高介电性能的全聚合物薄膜材料。 本论文的主要研究内容与结果如下： 1.以不同结构的PA6、PA66和PA11分别与PVDF共混,制备了PA/PVDF共混材料。通过FTIR、XRD、DSC、SEM等测试表征发现PA与PVDF没有发生化学反应,共混体系中PA和PVDF的结晶结构没有明显改变,但是结晶完善程度有所下降。 2.以PA11为主要研究体系,力学性能研究表明：PA11与PVDF在任意组成时,PA11/PVDF共混材料都具有良好的延伸率和高的拉伸强度。对共混体系进行定向拉伸,当交变频率在102-107Hz时,PA11/PVDF共混材料表现出理想的频率和温度稳定性。当PA11与PVDF的质量比为20：80时,PA11/PVDF介电常数高达25,是纯PVDF的3倍,纯PA11的6倍,XRD分析表明定向拉伸的PA11/PVDF共混材料中PVDF诱发了较多的β晶。 3.将强极性的小分子DMSO引入PA11/PVDF共混体系中,通过溶液共混的方式制备了PA11/PVDF共混材料。DMSO的强极性作用使PA11/PVDF中的PVDF形成了更多的β晶；当DMSO-H2O沉淀剂配比为5：95时,PA11/PVDF共混薄膜(PA11:PVDF=80:20)的介电常数高达188.1,但是由于DMSO对共混体系不稳定的缔合作用,在较高的交变频率下,共混材料的介电损耗也较大,达到了1.37。 4.通过小分子接枝技术,将GMA与PA11熔融反应接枝得到PA11-g-GMA,再与PVDF进行共混制备PA11-g-GMA/PVDF共混材料。GMA的强极性作用及接枝反应的形成,是共混材料的介电性能大为提高。当GMA添加量为10wt%时,PA11-g-GMA/PVDF共混物的介电常数为34,介电损耗小于0.05。 5.自行合成了乙酸乙烯酯与马来酸酐交替共聚物(VA-MA)并以其作为PA11/PVDF的大分子增容剂。VA-MA与PAll反应生成了PA11-g-VA-MA接枝共聚物,与PVDF进行共混后发现：PA11-g-VA-MA降低了两相界面张力,提高了PVDF与PA11的相容性。但是相容程度的大幅度改善,并没有使共混体系的介电常数明显提高,只是共混体系的介电损耗较小。 6.采用高分子SMA作为PA11和PVDF的增容剂,通过熔融共混制备了PA11/PVDF/SMA共混材料,并对共混材料进行了定向拉伸。所得的共混材料表现出优异的介电性能,当SMA添加量为1wt%时,PA11-g-SMA/PVDF共混物的介电常数高达60,介电损耗在0.07以下;通过电压-电流测试分析,发现加入SMA以后,共混体系的致密度大幅度提高,共混材料泄漏电流下降了一个数量级,表明是一类理想的柔性高介电薄膜材料。