石墨烯/苯乙烯-丙烯酸丁酯复合微球的制备及特性研究

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近年来,随着信息化技术推进,电子产品趋于小体型和高储能的特性发展。对于具有高介电常数、低介电损耗和易于加工等综合性能的电容器材料而言,研究此类介电材料的发展备受瞩目。大部分聚合基材料的介电常数较低,改善其介电性能的研究是一个具有探讨性的课题。由陶瓷性填料到导电性填料再到复合型填料的发展,石墨烯作为一种导电填料,因其具有高纵横比,对于提高聚合物基体的介电性能优势显著,因此本论文将设计一种加入微量还原氧化石墨烯(rGO)的复合型填料来提高聚合物基的介电性能。本文采用传统乳液聚合法、无皂乳液聚合法、细乳液聚合法制备得到不同结构类型的石墨烯/苯乙烯-丙烯酸丁酯复合微球(分别表示为rGO/SBA-a、rGO/SBA-b、rGO/SBA-c),通过设计不同类型的复合微球结构来探索其对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及聚苯乙烯(PS)的介电性能的影响。主要工作如下:探究了石墨烯/苯乙烯-丙烯酸丁酯复合微球的形貌、粒径分布、动态力学性能及介电性能。结果表明,rGO/SBA-a是rGO随机分布于SBA-a的微球,rGO/SBA-b是rGO包覆SBA-b的微球,rGO/SBA-c是绝缘层(AMPS及SBA-c)包裹rGO的微球,且其微球粒径随rGO含量增加而增大。随着rGO的加入,rGO/SBA-a复合材料的苯乙烯段玻璃化转变温度Tg(ST)最高达78℃。采用细乳液聚合法制得(2 wt%)rGO/SBA-c的介电常数最高,可高达11356(在频率1 KHz处),是纯SBA-c介电常数(5.9)的1925倍。表明此种类型的复合型填料-绝缘层包裹rGO的结构,对于提高聚合基材料的介电常数更具优势。探究了rGO/SBA-a和rGO/SBA-b复合型填料对石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的断面形貌、动态力学性能及介电性能的影响,并综合对比分析不同制备方法对改善PMMA复合材料介电性能的优势。结果表明,PMMA/rGO(0.15 wt%)/SBA-a(13 wt%)复合材料的储能模量可高达3038 MPa(温度为40℃处),PMMA/rGO(0.21wt%)/SBA-a(7 wt%)复合材料的Tg最大达到132.5℃;PMMA/rGO(0.15 wt%)/SBA-b(13wt%)复合材料的储能模量最高达到3712 MPa(温度为40℃处),PMMA/rGO(0.28wt%)/SBA-b(7 wt%)复合材料的Tg最大达到135.5℃。另外,采用无皂乳液聚合法制备得到rGO/SBA-b型复合填料对改善PMMA复合材料介电性能更具优势(相较于传统乳液聚合),PMMA/rGO(0.26 wt%)/SBA-b(13 wt%)复合材料的介电常数最高可达46.64(1 KHz处),是PMMA介电常数的11.08倍。rGO包覆SBA-b的结构,增大了rGO在PMMA基体中的分散程度且增强了界面的极化程度,利于rGO在PMMA基体中形成三维网络结构,从而可得到一种高介电常数、低渗流阈值的PMMA/rGO/SBA-b复合材料。探究了rGO/SBA-c此种复合型填料对石墨烯/聚苯乙烯复合材料的断面形貌、动态力学性能及介电性能的影响,综合对比分析不同制备方法对改善PS复合材料介电性能的优势。结果表明,rGO的加入可一定程度的提高PS/rGO/SBA-c复合材料的储能模量,在温度为40℃时,使PS/rGO(0.21 wt%)/SBA-c(7 wt%)复合材料的储能模量达到3060 MPa。采用细乳液聚合法制备得到rGO/SBA-c型复合填料对改善PS复合材料介电性能更具优势,PS/rGO(0.39 wt%)/SBA-c(13 wt%)复合材料的介电常数最高可达10.91(1 KHz处),其介电损耗为0.41。绝缘层AMPS包裹rGO的结构,由于隔离层的存在,可阻碍界面极化中漏导电流,降低其介电损耗,可制得高介电常数、低介电损耗、低渗流阈值的PS/rGO/SBA-c复合材料。
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