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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

钱坤  
【摘要】: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物:均聚物(PHT)、共聚物(PHT-co-P9F)和嵌段聚合物(PHT-b-P9F),其中PHT为聚甲基丙烯酸-[(3,6,7,10,11-五己氧基)苯并菲氧基]酯,P9F为聚全氟丁基乙基甲基丙烯酸酯。将三种聚合物分别与聚偏氟乙烯溶液共混,制备了聚合物合金薄膜。研究了一系列聚合物合金的相容性和介电性能。结果表明,聚合物合金的介电性能与PHT的有序性以及PHT与PVDF的相容性有关。在三种聚合物共混物中,PHT-b-P9F与PVDF的相容性最好,因为P9F与PVDF之间形成了F-H键,大大改善了PHT-b-P9F/PVDF聚合物合金的介电性能。50 wt%PHT-b-P9F/PVDF在100 Hz下的最大ε为35.5,是纯PVDF的4.23倍。(2)通过均聚物PHT对钛酸钡纳米颗粒进行表面改性,以此利用PHT的特性来增强钛酸钡纳米颗粒在聚合物中的分散性和相容性以及提高界面极化。采用RAFT法成功制备出具有核壳结构的BT@PHT纳米颗粒,并制备相应BT@PHT/PVDF复合材料。通过阻抗分析仪和铁电分析仪,研究了复合材料的介电和储能性能。研究结果表明,50 wt%BT@PHT/PVDF复合材料中,在100 Hz下,ε最大可达22.0。与PVDF基体相比,所有复合材料介电损耗与电导率均无明显变化。此外,40 wt%BT@PHT/PVDF复合材料在50 KV/mm电场下的储能密度达0.2 J/cm~3。本论文提供了一种新的思路来制备高ε,低介电损耗和高储能密度的新型介电材料,同时探索了界面极化对介电材料的介电行为的影响规律。


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