基于EVA/TPU共混体系介电纳米复合材料的制备与表征

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随着近年来电子信息技术和电子设备的迅猛发展,人们对具有优异介电性能的材料的需求逐渐加大。其中,介电材料作为一种关键的电学材料被广泛应用在微电子器件等领域,在使用过程中不仅需要达到较高的介电常数,同时还需保持较低的介电损耗。传统的介电陶瓷材料虽然具有比较良好的介电性能,但不利于环境友好,且机械性能较差,严重地限制了其应用。相对而言,高介电性能的聚合物基复合材料因其具有质轻、良好的加工性能和机械性能、价格低廉、储能密度大等优点在一系列高新科技领域内占据着举足轻重的地位。但大量的研究显示,研究者们在一味追求高介电常数的同时却忽略了高介电损耗的问题。介电损耗的大幅度增加,严重地损害了材料对电能的存储能力,从而限制了聚合物基介电复合材料的发展与应用。因此,寻求新的制备高介电性能的聚合物基复合材料的方法是目前亟待解决的问题。将两种或两种以上聚合物共混是当今开发新材料的重要途径,当向其中引入纳米填料时,通过调控纳米粒子的选择性分散以及共混物复合材料的微观形貌,可以制备具有高强度、高导电性能等功能一体化复合材料。基于此,本文将纳米填料引入到聚合物共混体系中制备多元介电纳米复合材料,以期通过调控纳米粒子的选择性分布以及复合材料微观相形态在提高介电常数的同时抑制介电损耗的提升,满足材料高介电常数低介电损耗的性能要求。本文将通过探索复合材料的微观相形貌,分散相相畴尺寸以及杂化填料对共混物复合材料介电常数、介电损耗、导电率以及机械性能的影响规律,并探索微观结构对宏观性能的作用机理,以实现材料的可控制备。通过分析研究,所得结果如下:(1)通过两步熔融共混法,将碳纳米管引入到醋酸乙烯酯共聚物/热塑性聚氨酯共混体系中,改变EVA与TPU的组分比以及CNTs的含量,制备具有不同微观相形貌的纳米复合材料。介电性能测试发现,当复合材料的微观相形貌表现为海岛结构时,其介电常数大幅增加,介电损耗被抑制。通过微观形貌表征发现,CNTs分布在TPU分散相中,随着TPU含量的增加,复合材料的微观相形貌由海岛结构向双连续结构转变;流变性能测试发现海岛结构复合材料中CNTs的局部网络结构更加致密;傅里叶变换红外光谱分析结果表明,海岛结构复合材料中TPU分子链上的氢键结构被破坏。复合材料微观相形貌对其宏观介电性能的作用机理为:1)海岛结构复合材料中CNTs受限于TPU相中,导电的TPU分散相分布在EVA基体中,形成更多微电容结构,在电场作用下,材料的介电常数大幅增加;而分散相之间被EVA基体阻隔不能形成导电通路,使材料的介电损耗被抑制。2)海岛结构复合材料的TPU分散相中致密的CNTs网络结构,破坏了 TPU分子链上的氢键结构,使TPU分子链在电场作用下更容易发生极化,使其介电常数大幅提高。(2)将增容剂引入到EVA/TPU/CNT三元纳米复合材料体系中,制备介电复合材料。通过形貌表征结果发现,复合材料的分散相相畴尺寸随增容剂含量的变化而变化;流变性能结果表明,体系中CNTs的网络结构也发生改变;介电性能表征发现,存在较适宜相畴尺寸范围(2~3.5μm或8~10.5 μm),使复合材料的介电常数增加,介电损耗保持较低的值。复合材料相畴尺寸控制其介电性能的机理在于,随着增容剂的引入,复合材料内部由CNTs和TPU岛相所构成的微电容结构发生变化,导致复合材料具有不同的介电常数和介电损耗。(3)将BaTiO3和CNTs两种纳米粒子同时引入到EVA/TPU共混体系中制备四元介电纳米复合材料。通过介电性能测试发现海岛结构的四元纳米复合材料的介电常数升高,介电损耗被抑制;形貌表征结果表明,复合材料中大部分CNTs与BaTiO3选择性分布在TPU分散相中,少量CNTs选择性分布在两相界面处;流变性能测试发现,随着BaTiO3纳米粒子的引入,复合材料中填料的网络结构变得更加致密,这是由BaTiO3与CNTs被局限在TPU分散相中,BaTiO3纳米粒子在海岛结构中的局部含量大于在双连续结构中的局部含量,因而BaTiO3纳米粒子对海岛结构中CNTs网络结构的阻隔作用大于对双连续结构中CNTs网络结构的阻隔作用所造成的。
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