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CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2017年  > 学位论文
题名:
离子液体接枝的聚偏氟乙烯及其结构与性能的研究
作者: 邢晨阳
学位类别: 博士
答辩日期: 2016
授予单位: 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
导师: 李景烨
关键词: 聚偏氟乙烯 ; 离子液体 ; 微相分离 ; 导电微区 ; 导电填料 ; 导电性 ; 介电性
中文摘要: 聚偏氟乙烯(PVDF)是一种性能优异的高分子材料,在学术和工业上获得了广泛的关注。近年来,作为一种新型的“绿色”功能添加剂,室温离子液体(IL)在高分子改性方面发挥着独特的优势。前期研究表明,IL与PVDF是热力学相容体系,所得PVDF/IL共混薄膜表现出优异的力学性能、高透明性、高导电率及高含量的极性晶体等。然而,作为介电材料而言,物理共混PVDF/IL体系存在一个重要问题:IL在外界电场下极易发生离子运动,导致PVDF/IL体系产生严重的漏电电流和介电损耗,最终影响共混材料的介电性能。为解决这一问题,本文以PVDF和乙烯基咪唑类IL为原料,通过固体电子束共辐射接枝技术制备出IL接枝的PVDF(即PVDF-g-IL)共混物薄膜,并对其结构及性能进行了调控,获得了一系列创新性的研究成果。论文的具体研究内容和主要结论如下:(1)IL对PVDF的固体接枝研究通过电子束共辐射接枝技术,制备了IL接枝的PVDF即PVDF-g-IL共混物薄膜,其中IL的阳离子接枝在PVDF无定形区分子链上,而阴离子处于自由状态。1H NMR结果表明IL成功接枝到了PVDF分子链上;IL接枝率的研究结果表明接枝链段较短。SEM、XRD及SAXS结果表明电子束辐射并未显著影响PVDF的相形貌、晶型及晶体长周期(L)。导电性和介电性测试结果表明IL阳离子的固定使得PVDF-g-IL材料的导电性、介电常数和介电损耗均明显下降。力学性能测试结果表明吸收剂量能够影响材料的断裂伸长率、屈服强度和杨氏模量等。(2)具有有机纳米构造的PVDF/IL复合材料的研究a.通过高温熔融PVDF-g-IL材料并降温结晶,制备了具有有机纳米构造的PVDF/IL复合材料。TEM、SEM及EMI结果表明在有机纳米构造的PVDF/IL(100/8)样品中PVDF-g-IL链段形成了尺寸约为20-30 nm的有机纳米微区并均匀分散在PVDF的基体中。提出了相应的机理:在电子束共辐射下,原位形成了“嵌段型”的接枝聚合物分子链PVDF-(PVDF-g-IL)-PVDF,其中PVDF链段来自结晶区,PVDF-g-IL链段来自辐照后的无定形区。在熔体下,由于PVDF-g-IL链段和PVDF链段是热力学不相容的,PVDF-g-IL链段发生微相分离,形成PVDF-g-IL有机纳米微区。DSC和POM结果表明PVDF-g-IL纳米微区具有一定的成核作用。XRD和SAXS结果表明在纳米构造的PVDF/IL复合材料中PVDF晶体以非极性的α晶型为主且具有较大的L值。导电性、介电性及力学性能测试结果表明纳米构造的PVDF/IL复合材料具有高导电性、高介电常数、低介电损耗和优异的力学性能。b.采用同步辐射和热分析技术(DSC)追踪研究了PVDF-g-IL链段的微相分离过程,结果表明:1)在“嵌段型”的接枝聚合物分子链PVDF?(PVDF-g-IL)?PVDF中PVDF-g-IL链段的微相分离发生在PVDF晶体完全熔融之后;2)PVDF-g-IL纳米微区的形成经历了成核(从无到有)和生长(由小变大)的过程;3)微相分离后的PVDF-g-IL纳米微区在所研究温度范围内是稳定的。c.通过IL接枝率可调控纳米构造PVDF/IL复合材料的结构及物理性能。索氏特抽提测试结果表明IL接枝率是随着IL含量的增加而提高的。TEM结果表明随着IL接枝率的提高PVDF-g-IL纳米微区的尺寸由小变大、微区逐渐彼此相连。XRD和SAXS结果表明纳米构造材料中PVDF晶体仍然以α晶体为主且L值较大。导电性测试结果表明IL接枝率的提高有助于材料表面电阻(Rs)的降低和交流导电率(σ)的提高。介电性能测试结果表明IL接枝率的提高使得材料的介电常数和介电损耗均明显提高。(3)兼具有机导电纳米微区和无机导电纳米粒子的PVDF纳米复合材料的研究在上述研究基础上,通过引入无机导电碳黑(CB)纳米粒子,制备了具有双导电纳米相的PVDF/IL-CB复合材料。TEM和SEM结果表明PVDF-g-IL有机导电纳米微区和CB无机导电纳米粒子共存于PVDF基体中,且PVDF-g-IL纳米微区“黏附”在CB纳米粒子的表面,形成了nanodomains@CB nanoparticle的形貌结构。DSC、SAXS及XRD测试结果表明双导电纳米相的PVDF/IL-CB复合材料具有较高的结晶温度(Tc)、熔点(Tm)及L值,其晶体以非极性的α晶型为主。导电性测试结果表明,与物理共混的二元PVDF/CB及三元PVDF/IL-CB体系相比,在相同CB含量下,双导电纳米相的PVDF/IL-CB复合材料具有最低的直流导电性。介电性能测试结果表明双导电纳米相的PVDF/IL-CB复合材料兼具高介电常数和低介电损耗,其原因如下:1)IL的使用提高了CB的分散性,降低了因CB团聚所造成的介电损耗;2)IL的介电损耗通过将IL完全“受限”在PVDF-g-IL纳米微区中而得到最大程度的降低;3)nanodomains@CB nanoparticle的形貌结构提供了良好的PVDF?CB相界面。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/26067
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作者单位: 中国科学院上海应用物理研究所

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邢晨阳. 离子液体接枝的聚偏氟乙烯及其结构与性能的研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所). 2016-01-01.
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