环氧vitrimer基隔离结构复合材料的构筑及性能研究

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构建隔离结构的填料网络是提升聚合物基复合材料性能的有效方法,填料在聚合物基体中呈三维(3D)网络状分布,降低填料的渗流阈值。传统以热塑性聚合物为基体的隔离结构复合材料制备过程中,为防止填料向聚合物基体内部迁移,通常需严苛地控制加工条件,造成制备工艺复杂,性能稳定性差等缺点;同时填料限制界面处聚合物分子链扩散与缠结,极大损害界面的融合与连接,导致材料的力学强度较弱。因此,解决上述两个问题是制备高性能隔离结构复合材料的关键。类玻璃高分子(vitrimer)是新兴的热固性材料,由于缔合型动态共价交联作用,vitrimer在低温下表现为热固性材料的性质,高温条件时可以像热塑性聚合物一样被熔融加工和回收利用。本论文以环氧vitrimer为基体,研究乙二醇参与的醇解-再酯化反应辅助增强界面融合,在较为宽泛的加工条件下成功制备了隔离结构复合材料,研究复合材料的微观结构特征和各项性能,发展了在电磁屏蔽和导热绝缘领域的应用。论文主要内容分为以下三个部分:1)制备环氧vitrimer,应力松弛实验表明环氧vitrimer具有缔合型动态交联聚合物的流变学特征,并且在较宽的温度范围内粘度基本无变化。研究环氧vitrimer颗粒的融合过程,发现乙二醇分子参与环氧vitrimer的醇解-再酯化反应,辅助颗粒界面融合的历程并提升界面强度,而且由于醇解形成短链齐聚物的增塑作用,融合产物的韧性和延展性获得显著提高。2)在不同的模压成型条件下,成功制备了隔离结构环氧vitrimer/MWCNTs复合材料(s-EV/MWCNTs),表明复合材料具有宽泛的加工窗口。研究表明复合材料中MWCNTs紧密接触,呈现完整的三维网络结构。且力学性能优异,其中sEV/MWCNTs-2的拉伸强度保持基体性能的90%,断裂伸长率提高近50%。产物具有优异的导电性和电磁屏蔽效能,当填料含量仅为4 wt%时,复合材料的电导率就达到6.8 S/m,电磁屏蔽效能(EMI SE)达到31 dB,远高于其他类型聚合物基复合材料。而且由于动态交联的特性,该复合材料可再次加工,粉碎再加工后样品的电磁屏蔽效能可恢复至90%以上。3)通过模压成型方式制备MWCNTs和h-BN选择性分布的隔离环氧vitrimer复合材料(s-EV/MWCNTs/h-BN)。并对s-EV/MWCNTs/h-BN复合材料的微观形貌和导热性能进行了表征,研究表明高长径比的MWCNTs充当“桥梁”连接了h-BN隔离网络,有效缩短热传递路径,其中s-EV/MWCNTs/h-BN-8复合材料热导率结果为0.83 W/m K,远高于其他类型聚合物基复合材料。研究了s-EV/MWCNTs/hBN-8复合材料再加工性能,结果表明,再加工后复合材料的断裂伸长率下降仅为9%,拉伸强度提升了50%,导热恢复率超过70%。
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