环氧树脂电介质复合材料的制备及性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zb280048797
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在激光打印机工作过程中,有机光导鼓(OPC鼓)可将光信号转化为电信号,是打印机中不可缺少的感光元件;阻挡层(UCL)是OPC鼓上重要的涂层之一,是一种电介质材料,能够增强OPC鼓储存电荷的能力。目前商品化的阻挡层基体材料为尼龙,由于尼龙吸水率较大,故此类阻挡层材料在湿热条件下长期工作时介电性能和电阻率易发生变化,从而影响打印的稳定性。因此开发吸水率低、在湿热条件下电阻率和介电性能稳定的阻挡层材料是提高OPC鼓综合性能的重要途径。环氧树脂(EP)力学性能优异、固化收缩率低、耐腐蚀、吸水率低;较低的吸水率使其能够在长期湿热条件下保持性能的稳定。但EP本身介电常数低,无法满足OPC鼓阻挡层材料对介电常数的要求。基于OPC鼓阻挡层对高性能聚合物材料的需求,本论文对环氧树脂固化剂和固化工艺进行了优化,研究了电介质填料对EP介电性能、电阻率及湿热稳定性的影响;深入探究了有机硅改性对EP复合材料性能的影响;利用壳聚糖(CS)的共沉淀作用,将二氧化钛(Ti O2)与碳纳米管(CNTs)共同沉淀制得T/M混杂填料,研究了该混杂填料对环氧树脂复合材料介电性能、力学性能、电阻率、吸水率的影响。首先测定了商品化的OPC鼓阻挡层材料的介电性能和电阻率,发现其在电场频率为10~2Hz下介电常数为19.4,介电损耗为0.23;在10~7Hz下介电常数为6.6,介电损耗为0.05;体积电阻率为2.25×1015Ω·cm。采用80℃去离子水模拟湿热条件,以测试复合材料在湿热条件下介电性能、电阻性能的稳定性;测试结果表明,商品化的OPC鼓阻挡层材料在经过80℃去离子水浸泡5h后,其吸水率为5.2%;介电常数和介电损耗在10~2Hz下变为324.8和2.19,在10~7Hz下变为15.7和0.32;体积电阻率变为了5.1×10~9Ω·cm,下降六个数量级。选用双酚A缩水甘油醚型环氧树脂作为基体,采用三种常见胺类固化剂:咪唑、固化剂593、固化剂W93对EP进行固化,研究了固化剂种类及用量对EP凝胶化时间、力学性能、电阻率的影响,优化出适合OPC鼓阻挡层材料工业化生产的固化温度和固化时间。将电介质填料二氧化钛(Ti O2)、二氧化硅(Si O2)、钛酸钡(Ba Ti O3)、氧化铝(Al2O3)分别与EP复合得到电介质复合材料;测试结果表明,Ti O2的加入能提高EP的介电常数。当Ti O2含量为120 phr时,EP电介质材料的介电常数在电场频率为10~2Hz下为7.9,在10~7Hz下为6.8,且介电损耗都在0.041以下。经过80℃去离子水浸泡5h后的EP电介质材料吸水率为1.3%,在电场频率为10~2Hz下的介电常数由7.9变为了10.4,介电损耗都保持在0.12以下,体积电阻率由1.30×1015Ω·cm变为2.75×1013Ω·cm。相比于商品化的尼龙基OPC鼓阻挡层材料,其介电损耗和吸水率更小,在湿热条件下介电性能和体积电阻率的稳定性得到了提高。采用苯基三甲氧基硅烷(PTMS)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)对EP基体进行改性,将改性后的EP与120 phr的Ti O2复合制得电介质复合材料。测试结果表明,GPTMS与EP质量比为10:90的复合材料冲击强度提升到14.8 k J/m~2,弯曲强度由提升到145.4 MPa。PTMS与EP质量比为10:90时,改性后的电介质复合材料冲击强度为13.5 k J/m~2,弯曲强度为133.0 MPa;经过80℃去离子水浸泡5 h后;EP电介质材料体积电阻率由5.34×1015Ω·cm变为3.75×1014Ω·cm;在电场频率为10~2Hz下的介电常数由7.6变为了8.4,10~7 Hz下由6.7变为6.8,且介电损耗都能保持在0.071以下。利用壳聚糖(CS)的共沉淀作用,将二氧化钛(Ti O2)和多壁碳纳米管(MWCNTs)共同沉淀制得混杂填料二氧化钛/碳纳米管(T/M)。研究了混杂填料T/M中MWCNTs含量对EP介电性能、力学性能、电阻率、吸水率的影响;结果表明,MWCNTs含量对复合材料力学、吸水率等影响不大,但能改变复合材料的介电性能和体积电阻率。当MWCNTs含量为1.2 phr时,环氧树脂复合材料的体积电阻率为1.46×1014Ω·cm,在10~2Hz下介电常数为11.5,介电损耗为0.024;当MWCNTs的含量为3 phr时,环氧树脂复合材料的体积电阻率为5.71×1011Ω·cm,在10~2Hz下介电常数为46.6,介电损耗为0.245;在填料较低的含量下即可实现对环氧树脂复合材料的介电常数在较大范围内进行调控,且保持较低介电损耗。
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