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高介电常数CuPc/PU复合材料的制备与性能研究

作　者: 陈涛
导　师: 王经文
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 电活性高分子高介电常数铜酞菁齐聚物接枝聚氨酯弹性体复合材料
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电活性高分子是一类能在外加电场下实现电机转换功能的材料,在传感器、执行器及微电机体系具有广泛的应用。然而,其较低的介电常数是限制其应用的关键因素之一。铜酞菁齐聚物(CuPc)具有超高的介电常数,且其弹性模量低于陶瓷材料,与聚合物复合后,复合材料仍具有易于加工和柔韧性好等优点。本文采用湿法合成了CuPc,并为改善其与聚合物的相容性,将其化学接枝到聚对氯甲基苯乙烯(PCMS)的分子链上,得到PCMS-g-CuPc。然后采用溶液铸膜法制备了以CuPc和PCMS-g-CuPc为填料,聚氨酯弹性体( PU )为基体的两类复合材料( CuPc/PU和PCMS-g-CuPc/PU)。从TEM照片看出,PCMS-g-CuPc颗粒在基体中的分散性明显改善,而CuPc颗粒大小约为25nm,只有其在CuPc/PU中的尺寸的1/20。介电性能测试表明,CuPc的含量都为15wt%时,PCMS-g-CuPc/PU的介电常数达到将近350,约是CuPc/PU的7倍,且介电损耗有所降低。究其原因,主要是改性后的CuPc颗粒在基体中的尺寸大大减小和分散性大大改善显著地增强了复合材料的界面交换耦合效应所致。溶液铸膜法制备的复合薄膜底面存在聚合物沉淀,导致添加物在基体中分散不均匀,一定程度上降低了复合材料的介电性能。采用热压膜法对复合薄膜进行处理后,材料的介电性能得到了相应的提高。为了进一步提升复合材料的介电性能,本文还将CuPc直接接枝到PU分子链上得到PU-g-CuPc,并采用溶液铸膜法制备了以PU-g-CuPc为填料,PU为基体的PU-g-CuPc/PU复合薄膜。通过TEM观察发现改性后的CuPc在基体中的分散性大大改善,且其颗粒尺寸在10~20nm,较未改性的CuPc在基体中的颗粒尺寸的1/25还小,这也进一步增强了复合材料的界面交换耦合效应,进而提升了材料的介电性能。CuPc含量为15wt%时,PU-g-CuPc/PU的介电常数达到了440左右,是相同含量的CuPc/PU的介电常数的8倍多。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-26
  1.1 电活性高分子概述  12-16
    1.1.1 电活性高分子特性及应用  12-13
    1.1.2 电活性高分子的分类  13-14
    1.1.3 电活性高分子的历史回顾及研究现状  14-16
    1.1.4 机电转换领域对EAPs 介电性能的要求  16
  1.2 高介电常数聚合物基复合材料研究进展  16-20
    1.2.1 提高聚合物基复合材料介电常数的方法  16-17
    1.2.2 陶瓷填充聚合物基高介电复合材料  17-18
    1.2.3 无机导电填料填充聚合物基高介电复合材料  18
    1.2.4 全有机高介电复合材料  18-20
  1.3 铜酞菁齐聚物(CuPc)的研究概况  20-21
    1.3.1 CuPc 的合成  20
    1.3.2 CuPc 的介电性能  20-21
  1.4 聚氨酯弹性体概述  21-24
    1.4.1 聚氨酯弹性体的分类  21-22
    1.4.2 聚氨酯弹性体的结构与性能  22-23
    1.4.3 聚氨酯弹性体的应用  23-24
  1.5 本课题的研究目的及其内容  24-26
第二章 CuPc 和PCMS-g-CuPc 的合成及性能表征  26-36
  2.1 前言  26
  2.2 CuPc 的合成  26-28
    2.2.1 主要原料  26-27
    2.2.2 主要仪器  27
    2.2.3 合成反应过程  27-28
    2.2.4 产物的纯化及后处理  28
  2.3 PCMS-g-CuPc 的合成  28-29
    2.3.1 主要原料  28
    2.3.2 主要仪器  28-29
    2.3.3 接枝反应过程  29
    2.3.4 产物的纯化及后处理  29
  2.4 性能表征与测试仪器  29-31
    2.4.1 滴定分析  29-30
    2.4.2 FT-IR 分析  30
    2.4.3 1~H-NMR 分析  30
    2.4.4 ICP 分析  30-31
  2.5 结果与讨论  31-34
    2.5.1 滴定结果  31-33
    2.5.2 CuPc 和PCMS-g-CuPc 的红外图谱  33-34
    2.5.3 1~H-NMR 分析  34
    2.5.4 PCMS-g-CuPc 的接枝率  34
  2.6 本章小结  34-36
第三章 PCMS-g-CuPc/PU 复合薄膜的制备及性能研究  36-50
  3.1 前言  36
  3.2 PU 的合成  36-37
    3.2.1 主要原料  36-37
    3.2.2 主要仪器  37
    3.2.3 PU 的合成过程  37
  3.3 PCMS-g-CuPc/PU 复合薄膜的制备  37-38
    3.3.1 主要原料  37
    3.3.2 主要仪器  37
    3.3.3 溶液浇铸法制备复合薄膜  37-38
    3.3.4 热压法制备复合薄膜  38
  3.4 性能表征与测试仪器  38-41
    3.4.1 FT-IR 分析  38
    3.4.2 粘度法测定PU 的分子量  38-41
    3.4.3 TEM 分析  41
    3.4.4 介电性能分析  41
  3.5 结果与讨论  41-48
    3.5.1 PU 的红外谱图  41-42
    3.5.2 PU 的粘均分子量  42-43
    3.5.3 PCMS-g-CuPc/PU 复合薄膜的形貌  43-45
    3.5.4 溶液铸膜法制备的复合薄膜的介电性能  45-46
    3.5.5 添加量对复合薄膜介电性能的影响  46-47
    3.5.6 热压膜工艺对复合薄膜介电性能的影响  47-48
  3.5 本章小结  48-50
第四章 PU-g-CuPc/PU 复合薄膜的制备及性能研究  50-59
  4.1 前言  50
  4.2 PU-g-CuPc/PU 复合薄膜的制备  50-51
    4.2.1 主要原料  50
    4.2.2 主要仪器  50-51
    4.2.3 PU-g-CuPc/PU 复合物的制备  51
    4.2.4 薄膜制备  51
  4.3 性能表征与测试仪器  51-52
    4.3.1 FT-IR 分析  51
    4.3.2 1~H-NMR 分析  51
    4.3.3 ICP 分析  51-52
    4.3.4 TEM 分析  52
    4.3.5 TG 分析  52
    4.3.6 XRD 分析  52
    4.3.7 介电性能分析  52
  4.4 结果与讨论  52-58
    4.4.1 FT-IR 分析  52-53
    4.4.2 1~H-NMR 分析  53-54
    4.4.3 PU-g-CuPc 的接枝率  54
    4.4.4 复合薄膜的形貌  54
    4.4.5 TG 分析  54-56
    4.4.6 XRD 分析  56
    4.4.7 介电性能分析  56-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章总结与展望  59-61
  5.1 全文工作总结  59-60
  5.2 今后工作展望  60-61
参考文献  61-67
致谢  67-68
在学期间的研究成果及发表的学术论文  68
在学期间主要参加的科研项目  68

高介电常数CuPc/PU复合材料的制备与性能研究

内容摘要

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