聚丁二酸丁二醇酯离聚物结构调控及其导热性能的研究

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聚合物基体具有声子传播速度慢、晶区和无定形区界面热阻高等缺陷,致使其导热性能差,极大地限制了其在热管理材料领域的应用。离子聚合物(离聚物)分子链中因离子基团间存在强烈的库仑力作用而发生微相分离并且形成纳米尺度的离子簇,赋予了离聚物独特的分子链结构与宏观性能,聚合物的分子链结构、凝聚态结构是影响聚合物导热性能的关键因素。因此本文对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行离子化改性研究,以离子单体种类和浓度作为调控离聚物结晶与流变性能的手段,探索PBS离聚物结晶形态的演变机制,获得提高离聚物导热性能新方法和理论基础。进一步考察分子链柔顺性、凝聚态结构和结晶环境对离聚物导热性能的影响规律,获取离聚物导热性能的调控机制,丰富和发展离聚物结构与性能的新特征。论文第三章采用共缩聚反应制备了以8-二(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾(DHPPO-K)作为离子单体的含磷PBS离聚物(PBSIs-K),考察了刚性(含磷)离子基团(PCIG)浓度对离聚物分子链结构、结晶形态和导热性能的影响机制。采用动态流变、差示扫描量热测试(DSC)、偏光显微镜(POM)、X射线衍射(XRD)和综合物性测量系统(PPMS)分别对PBSIs-K的流变、结晶和导热性能进行表征,结果表明由PCIG离子簇聚集产生的物理交联作用显著地增加了离聚物的熔体黏度。结晶形态显著影响PBSIs-K的热导率,当PCIG浓度为1 mol%时,PBSI1-K的结晶温度和结晶度显著提高,球晶直径由181μm增大为353μm,此时,其热导率由PBS的110 mW/m·k增加到320 mW/m·k。随着PCIG浓度的增大,PBSIs-K结晶能力降低,PBSI7.5-K的结晶度和结晶温度分别仅为45.2%和43.2℃,热导率下降为130 mW/m·k。采用拉伸、水解降解、氧透过率测试PBSIs-K的物理性能,结果表明,PBSIs-K具有良好的降解、氧阻隔和拉伸性能。本章的研究结果表明,通过引入PCIG,改变PBS的分子结构和结晶形态,可以实现对离聚物导热性能的调控,同时具备良好的综合性能。论文第四章采用缩聚-扩链法反应制备以二乙醇胺盐酸盐(DEAH)为离子单体的含氨基PBS离聚物(PBSUI),考察柔性(含氨基)离子基团(UIG)浓度对离聚物分子链结构、结晶形态和导热性能的影响机制。采用动态流变、XRD、POM和PPMS分别表征PBSUI的流变、结晶和导热性能,与PBS相比,PBSUI-1的复数黏度无明显变化,结晶度和球晶直径均小幅度下降,低熔体黏度下含UIG硬段分子链的紧密堆砌使其热导率从94mW/m·k增大到207 mW/m·k。随着UIG浓度的增大,PBSUI的复数黏度显著增加,其球晶直径和热导率分别由185μm、207 mW/m·k逐渐降低至105μm、94 mW/m·k。采用氮化硼(BN)、乙二醇(EG)共混改性PBSUI-1,进一步考察了相形态和分子链柔顺性对离聚物结晶行为和导热性能的影响机制。采用DSC和PPMS分别测试PBSUI-1的结晶与导热性能,结果表明BN、EG的加入均使PBSUI-1的结晶度显著降低,从58.4%分别降低至45.3%、47.6%。PBSUI-1的热导率由207 mW/m·k分别降低至186 mW/m·k和164mW/m·k。通过复配加入BN/EG降低了PBSUI-1结晶度(44.3%),但其热导率提高至219mW/m·k。本章的研究结果表明,UIG、BN和EG的引入都可以不同程度的改变PBS的分子链结构或凝聚态结构,从而实现对离聚物导热性能的调控。论文第五章采用等温结晶和超临界二氧化碳发泡(sc-CO2)的方法对PBSUI进行加工,考察结晶和泡沫形态对离聚物凝聚态结构和导热性能的影响机制。采用DSC、XRD和PPMS表征等温结晶处理后PBSUI-1的结晶和导热性能,当在0℃下等温处理后,PBSUI-1的结晶度(Xc)和晶粒直径(Dc)分别仅为32.6%和15.9 nm,此时PBSUI-1的热导率为171mW/m·k。随着处理温度的降低,PBSUI-1的Xc和Dc逐渐减小,而热导率则呈增大趋势。采用SEM观察PBSUI泡沫样品的泡孔形态并用Image-Pro-Plus软件统计泡孔尺寸,结果表明,熔体黏度显著影响PBSUI泡沫的形态和结构。熔体黏度较低的PBSU和PBSUI-1经由sc-CO2制备的泡沫开孔率达到88%,以泡孔壁形成的导热通道被打断,泡沫的导热模式以孔内空气传导为主,因此导热系数分别由发泡前的94 mW/m·k、207mW/m·k降低为52 mW/m·k、54 mW/m·k。而高熔体强度的PBSUI-3和PBSUI-5经sc-CO2制备的微孔泡沫开孔率低于13%,具有取向连续的泡孔壁形态,其热传导方式主要由PBSUI基体组成的连续泡孔壁进行,取向后的PBSUI微孔泡沫的导热系数增加至83mW/m·k。本章的研究结果表明,通过等温结晶或sc-CO2发泡的方法,改变PBS凝聚态结构或三维结构,可实现离聚物导热性能调控的目的。
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