交联型聚醚酰亚胺/聚醚醚酮高分子合金的制备及其性能研究

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电介质材料是现代电子工业的基石,其主要发挥了绝缘包覆、电子封装、能量存储/转化等用途,并广泛应用于航空航天、国防军工、电子电气、汽车工业等领域。与陶瓷材料相比,聚合物作为电介质材料具有更高的击穿场强及较低的介电损耗(是大多数电介质材料的关键性能),并且具有质轻、便于加工、柔韧性好的特点,受到人们更多的关注。然而,大多数聚合物受到自身热性能的限制,工作温度较低,不能满足现在新能源、航空航天、国防军工以及深海深地勘探等需要高温环境工作的要求,满足当今电子工业应用需求的耐高温、高性能的聚合物基电介质材料开发依然面临挑战。聚醚醚酮(PEEK)因其芳环结构和结晶能力使其具有优异的机械性能和热力学性能,是最具有应用潜力的高温聚合物电介质材料之一,但是高温高场下其无定型区中分子链段运动会导致聚合物链段的松弛,而这种松弛会降低PEEK的介电性能。本文从分子设计的角度出发,制备了苯乙炔基封端的可自交联聚醚酰亚胺(c-PEI),并利用其对PEEK进行共混改性制备PEEK基高分子合金。本文利用聚醚酰亚胺和聚醚醚酮之间良好的相容性,通过构建聚醚酰亚胺的交联网络,限制高温和高电场下聚醚醚酮无定型区分子链段的松弛,提升聚醚醚酮的介电稳定性,主要的研究内容和取得的重要结果如下:1、利用缩聚反应和简单的封端技术,制备了苯乙炔基封端的可自交联聚醚酰亚胺(c-PEI),通过调控c-PEI的分子量(交联基团含量),实现其交联温度和聚醚醚酮加工温度相匹配,并利用机械共混、挤出造粒和热压成膜等方式,制备了一系列交联型聚醚酰亚胺/聚醚醚酮高分子合金,并通过交联度的控制实现了加工性能和其他性能平衡。与商用聚醚酰亚胺(s-PEI)/聚醚醚酮高分子合金相比,由于交联网络的构建抑制了由无定型区分子链段运动导致的松弛现象,c-PEI/PEEK合金热学性能、机械性能、电学性能提升的效果更加明显。此外,c-PEI的添加量较少,可降低对PEEK结晶行为的影响,有利于保持PEEK本身的优异性能。在160 oC、1k Hz下,20 wt%c-PEI 10/PEEK的介电损耗仅为0.0019,远远小于PEEK的0.0134和20 wt%s-PEI/PEEK的0.0075。2、针对交联体系的构建,导致c-PEI/PEEK合金介电常数下降的问题,本文进一步利用纳米氧化铝(Al2O3)对c-PEI/PEEK合金进行改性,将微量的纳米氧化铝引入到交联型聚醚酰亚胺/聚醚醚酮合金,利用纳米效应,增加偶极子在电场下极化旋转的空间,在保证其他综合性能(特别是介电性能热稳定性)的同时,提高c-PEI/PEEK合金的介电常数。其中,0.5 wt%纳米氧化铝改性的交联型聚醚酰亚胺/聚醚醚酮共混材料(0.5 wt%Al2O3@20 wt%c-PEI 10/PEEK),在160 oC、1k Hz下,具有最高的介电常数(4.11)及较低的介电损耗(0.0041)。综上所述,交联型聚醚酰亚胺对聚醚醚酮的共混改性能在保持聚醚醚酮结晶性能的前提下,显著降低聚醚醚酮介电损耗的同时提升了其热、力学性能。添加微量纳米粒子则在保证其他性能同时,提高合金的介电常数。在两种改性方法的协同作用下,大幅提高了聚醚醚酮高温下的介电性能,使得该聚醚醚酮合金材料在高温电介质材料领域具有巨大的应用潜力。
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