可交联结晶型聚芳醚腈的制备与性能研究

• 作 者: 涂玲
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2020年07期
• 关键词: 聚芳醚腈 结晶 交联 介电复合材料

聚芳醚腈(PEN)由于具有优异的热学性能、力学性能、介电性能和耐辐射等性能,在电子电器、汽车制造等领域被广泛应用。根据聚芳醚腈是否具有结晶能力可以分为无定形聚芳醚腈和结晶型聚芳醚腈;根据聚芳醚腈能否发生交联反应可以分为非交联聚芳醚腈和可交联聚芳醚腈。对于结晶型聚芳醚腈而言,晶体的存在使分子链排列更加规整,-CN排列在主链一侧,聚芳醚腈体系极性增加,介电常数略有增加。对于可交联聚芳醚腈而言,聚芳醚腈分子链末端的邻苯二甲腈基团可以在高温下发生交联反应生成热稳定性的三嗪环或酞菁环,实现了对聚芳醚腈的热塑性加工热固性应用。结合以上背景,本文制备了结晶型聚芳醚腈和可交联结晶型聚芳醚腈,研究了结晶和交联对聚合物性能的影响,并结合了可交联聚芳醚腈的耐温性特点,制备出了高热稳定性的介电复合材料。首先,本文通过调控原料对苯二酚和双酚A的比例获得了具有不同结晶能力的结晶型聚芳醚腈(HQ/BPA-PEN),并通过红外光谱、特性粘度等测试方法对其结构和分子量进行了表征。随后研究了不同双酚A含量对HQ/BPA-PEN热学、结晶、力学和介电等性能的影响。结果表明,随着双酚A含量的增加,HQ/BPA-PEN的热学、结晶、力学和介电性能都略有降低,但整体仍然保持着较好的综合性能。此外,通过对合成现象的观察以及对聚合物特性粘度的测试,可以得出柔性链段双酚A的引入有效的解决了对苯二酚型聚芳醚腈在合成过程中的析出、分子量小、产率低等问题。基于上述结果,选择了综合性能较为优异的HQ/BPA-PEN10,在HQ/BPA-PEN10分子链的两端引入了邻苯二甲腈基团,制备得到了可交联结晶型聚芳醚腈(PEN-Ph)。接下来探究了热处理温度和时间对HQ/BPA-PEN10的结晶性能的影响,进一步探究了HQ/BPA-PEN10的结晶度对聚合物热学、力学及介电等性能的影响。通过X射线衍射仪、差示扫描量热分析仪、机械性能以及介电性能测试得到,随着HQ/BPA-PEN10结晶度的增大,聚合物的力学强度变大,断裂伸长率减小,热学性能和介电性能被提高。相比于未进行等温结晶的HQ/BPA-PEN10而言,其综合性能得到了很大的提升,最终得到了具有增强介电性能的结晶型聚芳醚腈材料。然而结晶型聚芳醚腈材料只能在玻璃化转变温度190 ~oC以下使用。因此,在上述的研究基础上选取了合适的温度及时间对PEN-Ph进行处理制备得到了自增强热学、介电等性能的单组分聚芳醚腈复合材料(CSC-PEN)。制备得到的单组分聚芳醚腈复合材料的热学性能、交联度以及常温介电性能、高温介电性能依次被表征测试。从CSC-PEN的介频及介温图当中可以得到该聚合物具有良好的介电常数及温度稳定性,使得CSC-PEN在高温薄膜电容器领域具有潜在的应用价值。最后,利用可交联结晶型聚芳醚腈的交联特性,将氰基化多壁碳纳米管(MWCNTs-CN)填充到PEN-Ph基体中,制备得到了具有介电增强的复合材料。再将该复合材料在高温下进行处理,使MWCNTs-CN中的氰基基团与PEN-Ph中的邻苯二甲腈基团发生交联反应制备得到了MWCNTs-CN/PEN-Ph杂化材料,消除了填料与基体之间的界面作用,解决了填料与基体之间的相容性问题。形成的杂化材料玻璃化温度可以被提高到430 ~oC左右,且其仍然保持着良好的介电性能。当MWCNTs-CN的含量为7%时,杂化材料在频率为1 KHz下的介电常数为22.08。从MWCNTs-CN/PEN-Ph杂化材料的介电常数—温度依赖性图中还可以看出,该材料可以在350 ~oC以上的高温环境中使用而保持其介电性能不受太大的影响。这些数据说明了MWCNTs-CN/PEN-Ph杂化材料具有优异的热稳定性,这在实际应用中具有重要的意义。