微纳多层共挤聚偏氟乙烯基复合材料微观结构演变及其介电性能研究

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微纳层状聚合物复合材料因具有其优异的光学、电学、气体和液体阻隔性能而在多个领域得到了广泛应用。通过将聚合物进行层状组装制造成高度有序的微观层结构,达到协同增强体系宏观性能的目的。微纳多层共挤加工是目前制备微纳多层聚合物复合材料最经济、最有效的加工技术之一。在多层加工过程中,组分聚合物之间的界面效应和空间限制行为等可能影响材料内部的结构演化及制品综合性能,但这些现象背后的影响机制还不明确。鉴于此,本论文基于微纳多层加工技术,系统研究多层材料内部的空间限制和层间界面作用对微纳多层共挤复合材料结构演变的影响规律,并明确其对材料介电性能的影响机制。本文研究内容和主要结论如下:(1)首先基于不相容聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)/聚碳酸酯(PC)微纳多层复合材料体系,探究复合材料在几何空间限制下的层结构及层内聚集态结构的演变规律,及其对介电性能的影响机制。结果表明:随着层数增加,单层厚度的降低,复合材料的层结构在单层膜厚度降低至500 nm左右失去稳定性,并在组分聚合物熔体弹性差异和热涨落现象的共同作用下发生层破裂;PVDF-HFP的结晶度在空间受限和界面作用的竞争关系下逐渐升高,由13.9%升高至20.4%;层状结构有效抑制了复合材料在低频区域的介电损耗,其损耗角稳定于1×10-2附近,由于空间电荷对较薄PC单层膜的穿透行为,复合材料的介电储存电容率在单层膜厚度降低至一定程度后逐渐减弱,其中,试样8L表达出介电性能最优值,1000 Hz测试频率下,其介电储存电容率高达70 p F/m。(2)然后基于相容聚偏氟乙烯(PVDF)/聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)微纳多层复合材料体系,研究复合材料中层间界面扩散和空间限制效应对层结构及层内聚集态结构的影响规律,及多层薄膜的介电性能的变化。结果表明:随单层膜厚度降低,复合材料由于组分聚合物熔体黏弹性高度匹配而具备优良的层稳定性与连续性,界面轮廓在聚合物互扩散作用下逐渐弥散;PVDF在空间限制下发生平行于膜厚度方向的二维取向,生成β电活性相,对均分体系而言,材料总结晶度在空间限制和刚性分子链拓扑限制的共同作用下逐渐降低,由60.46%降低至20.65%;层状结构有效抑制了复合材料在低频区域的介电损耗,其损耗角稳定于8×10-3附近,由于载流子数量增加及晶体利于变形极化的二维取向,复合材料的介电储存电容率在一定范围内随单层膜厚度降低而升高,其中试样32L表达出介电性能最优值,1000 Hz测试频率下,其介电储存电容率高达140 p F/m。
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