PC/PMMA共混物中导热网络构建及导热性能的研究

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聚碳酸酯(PC)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混物在电子电器、通讯设备等领域具有广泛的应用。但随着5G网络的发展,这些领域对PC/PMMA材料的导热性能提出了更高的要求。石墨烯(GNs)具有优异的导热性能,被广泛用作制备导热聚合物共混物的填料。然而,GNs容易在聚合物中团聚,因此如何调控GNs在聚合物基体中的分散分布构建导热网络结构、改善GNs与聚合物基体的界面相互作用减小界面热阻成为了以GNs为填料制备导热聚合物共混物的关键问题。本文通过设计不同的共混顺序,将GNs表面设计与动力学相结合,通过调控GNs在PC/PMMA共混物中的选择性分散分布及共混物的相形态,在PC/PMMA共混物中构筑了导热网络结构。研究了共混顺序、表面改性剂结构和GNs含量对GNs在PC/PMMA共混物中的分散分布、材料界面及共混物性能的影响,建立了共混物相形态演变及导热网络结构形成的机理模型,阐明了导热聚合物共混物结构与性能之间的构效关系,相关研究成果对开发具有优异综合性能的导热聚合物共混物具有重要的理论意义和实际价值。论文的主要研究内容和结果如下:1.采用三种不同的熔融共混顺序(PC、PMMA、GNs共混(一步法);PC/GNs母粒与PMMA共混(两步法)、PMMA/GNs母粒与PC共混(两步法))制备共混物,通过TEM表征发现,GNs主要选择性分布于PC与PMMA两相界面上,少量分布于PC相中。利用杨氏模量公式计算润湿系数(ωa),在25℃和250℃下材料的ωa分别为0.06和-0.35,介于-1<ωa<1,理论预测GNs也主要分布在PC与PMMA两相界面上,证实了TEM的结果。SEM结果表明,一步法制备的共混物PMMA分散相尺寸最小。结合SEM、TEM、流变等测试结果,建立了一步法制备的共混物相形态演变机理模型。对于三种不同的制备方法而言,在添加0.05 wt%的GNs条件下,一步法制备的PC/PMMA/GNs共混物不仅具有良好的导热导电性能,而且强韧性较好。2.以超临界二氧化碳为介质,采用KH550、KH560、KH570、Tannin为改性剂修饰GNs。TEM结果表明,与未修饰的GNs相比,修饰后的GNs仍主要分布于PC与PMMA两相界面上,少数分布于PC相中。GNs表面能为50.11 m J·m-2,KH550、KH560、KH570、Tannin修饰的GNs表面能分别为67.78 m J·m-2、43.49m J·m-2、24.05 m J·m-2、50.67 m J·m-2,KH560和KH570减小了GNs的表面能提高了GNs的分散,KH550和Tannin则增大了GNs的表面能加剧了GNs的聚集。KH560改性的GNs(GNs-KH560)与PC的界面能为0.17 m J·m-2,远小于其他填料与PC的界面能,因此GNs-KH560在聚合物基体中的分散性最好,构建了更加有效的导热网络。当填料含量均为0.05 wt%时,以GNs-KH560为填料制备的PC/PMMA/GNs-KH560共混物导热、导电和拉伸强度和断裂伸长率等性能与PC/PMMA相比提高最明显,分别提高了11.17%、21.63%、2.46%和46.11%。3.研究了GNs-KH560含量对PC/PMMA(70/30)共混物结构与性能的影响。TEM结果表明,随着GNs-KH560含量增加,大部分GNs-KH560仍主要分布于PC与PMMA两相界面上,少数分布在PC相中,并且没有发现明显的聚集现象。GNs-KH560含量越高,共混物分散相PMMA的粒径有逐渐减小的趋势,当GNs-KH560添加量达到0.30 wt%时,共混物相形态从海岛结构向部分共连续结构转变,GNs-KH560分布在部分共连续结构的界面上形成了更加完善的导热网络,明显提高了共混物的导热、导电、力学等性能,结合TEM等测试结果,建立了导热网络形成机理模型。
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