聚乳酸纳米复合材料结构调控和介电性能增强机理研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xingyuan77
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利用可生物降解的聚乳酸(PLA)作为聚合物基体,制备环保型高介电复合材料可以解决电子垃圾的急剧增长造成的严重环境问题,而如何改善PLA的力学和介电性能是目前研究的重点。本文以PLA为基体,通过共混乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)改善PLA的力学性能,同时添加碳纳米管(CNTs)、钛酸钡(BT)、氮化硼(BN)和云母(Mica)改善PLA的介电性能。论文的研究内容主要分为以下三个部分:(1)通过熔融共混制备了PLA/EVA/CNTs复合材料,研究了CNTs含量对复合材料结晶行为、聚集态结构、力学性能和介电性能的影响。EVA弹性体改善了PLA的力学性能,CNTs的引入促进了PLA的成核,但阻碍了PLA的链段运动,最终导致PLA的结晶度降低。CNTs在复合材料中形成微电容改善PLA的介电性能,PLA/EVA/1.0CNTs复合材料的ε’(11.08)较高,tanδ(0.084)保持在较低的水平,同时其拉伸强度和断裂伸长率分别为42.7 MPa和70.5%,具有较好的力学性能和介电性能。(2)通过熔融共混制备了含不同官能化的CNTs掺杂的PLA/PBAT复合材料,研究了不同官能化CNTs及其含量对扩链反应的影响,以及对PLA/PBAT复合材料结晶行为、流变行为、聚集态结构、力学性能以及介电性能的影响。CNTs-OH和CNTs-COOH会竞争PLA和PBAT与扩链剂间的反应,导致扩链反应的效率降低,从而使PLA/PBAT/CNTs-OH复合材料和PLA/PBAT/CNTs-COOH复合材料的界面粘结力和力学性能显著降低。不同官能化的CNTs主要阻碍了PLA的链段运动,导致PLA/PBAT复合材料中PLA的结晶度降低。不同官能化的CNTs在复合材料中形成微电容改善PLA的介电性能,PLA/PBAT/4CNTs-OH复合材料的ε′(24.9)较高,tanδ(0.23)较低。同时,PLA/PBAT/4CNTs-OH复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为38.2 MPa和255.4%。(3)通过逐层涂覆法制备了三明治结构复合电介质材料,通过结构设计在外层引入高击穿强度的Mica或BN,在内层引入高介电常数的BT,协同提高复合材料的介电常数和击穿强度。同时在所有无机填料表面涂覆聚多巴胺(PDA),一方面提高了填料与PLA基体的相容性,另一方面减轻了无机填料与PLA基体之间的介电差异。由于大尺寸的Mica作为绝缘屏障可以有效抑制电树枝的生长和泄露电流的产生,所获得PLA/40PDA@BT/8PDA@Mica复合材料的能量密度为1.72 J/cm~3,储能效率为83%。
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