李國安,鄧偉,任怡辰,吳斌
(1.哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,哈爾濱 150040; 2.蘇州太湖電工新材料有限公司,江蘇蘇州 215000)
聚合物介電材料具有質(zhì)輕、柔韌、耐擊穿和易加工等優(yōu)點,但較低的介電常數(shù)限制了其在電子行業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用[1–2]。一般來說,引入具有高介電常數(shù)的陶瓷填料,能夠有效提高復(fù)合材料的介電常數(shù),但是,陶瓷填料與聚合物基體間的相容性較差,且較高的添加量(通常體積分數(shù)>40%)會在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷和孔洞,導(dǎo)致復(fù)合材料的加工性能、力學(xué)性能和擊穿場強下降[3–4]。導(dǎo)電填料雖然可以在較低添加量下、接近逾滲閾值時顯著提高復(fù)合材料的介電常數(shù),但常伴有介電損耗的急劇升高和擊穿場強的顯著降低[5–6]。因此,結(jié)合不同填料的特點,并對填料的微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)控,從而提高聚合物基復(fù)合材料的綜合性能成為近年的研究熱點[7–8]。Zha等[9]通過SnCl2的化學(xué)反應(yīng)在鈦酸鋇(BT)粒子表面包覆了厚度為4 nm的SnO2殼層,半導(dǎo)電性質(zhì)的SnO2殼層起到了電場緩沖作用,當BT@SnO2體積分數(shù)為45%時,聚偏氟乙烯(PVDF)基復(fù)合材料在103 Hz時的介電常數(shù)提高至90,比相同填料含量的PVDF/BT復(fù)合材料的介電常數(shù)提升40%,此時介電損耗為0.47。Yang等[10]在BT顆粒表面原位聚合包覆聚吡咯(PPy)合成了PPy@BT核殼顆粒,并將其與氧化石墨烯(GO)混合獲得雜化填料PPy@BT-GO,對比研究了PVDF/PPy@BT和PVDF/PPy@BT-GO復(fù)合材料的介電特性。相較于PVDF/PPy@BT復(fù)合材料,引入GO后,PVDF/PPy@BT-GO復(fù)合材料的介電常數(shù)雖降低至34(100 Hz),但介電損耗降低同時擊穿場強提高。
筆者采用乳液聚合法在BT粒子表面包覆聚苯胺(PANI),制得PANI@BT核殼粒子,再與二維氮化硼(hBN)混合制備雜化填料PANI@BT-hBN,并利用溶液共混法制備PVDF/PANI@BT和PVDF/PANI@BT-hBN兩種復(fù)合材料。研究PANI@BThBN含量對PVDF基復(fù)合材料力學(xué)、介電和擊穿等綜合性能的影響,此外,與相同含量下的PVDF/PANI@BT復(fù)合材料進行對比,研究hBN對填料分散性及復(fù)合材料性能的影響。
BT,hBN:分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;
苯胺:分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠;
丙酮:分析純,天津市致遠化學(xué)試劑有限公司;
PVDF:分析純,東莞市東展塑膠有限公司;
十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、過硫酸銨(APS):分析純,天津光復(fù)精細化工研究所。
X射線衍射(XRD)儀:K-Alpha型,美國Thermo Fisher公司;
傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀:IFS 66 V/S型,德國Bruker Optics公司;
掃描電子顯微鏡(SEM):JEOL JSM-7401型,日本JEOL公司;
透射電子顯微鏡(TEM):JEM2100E型,日本JEOL公司;
萬能拉伸試驗機:ASTM D412型,濟南永科試驗儀器有限公司;
寬頻介電阻抗譜儀:HIOKI3532-50LCR型,日置電機株式會社;
擊穿測試儀:CS2674B型,南京長盛儀器有限公司。
(1) PANI@BT核殼粒子的制備。
首先,依次使用雙氧水和γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷對BT改性[11]。然后,將0.272 g SDBS和350 mL HCl加入三口瓶中并移至冰水浴內(nèi),待加入1 g改性BT和1 g苯胺后,再滴加APS溶液(2.450 g APS溶于350 mL HCl中),滴加5~6 h,繼續(xù)攪拌12 h后離心干燥,最終得到PANI@BT粒子。
(2) PANI@BT-hBN雜化填料的制備。
取0.2 g在1 000℃溫度下煅燒3 h的hBN溶于500 mL去離子水中,超聲3 h后,加入2 g PANI@BT,繼續(xù)攪拌8 h后離心干燥,得到PANI@BT-hBN雜化填料。
(3)復(fù)合材料的制備。
將上述制備的PANI@BT和PANI@BT-hBN分別與80 mL 丙酮混合,超聲分散2 h后,加入一定量的PVDF,室溫下攪拌30 min,再升溫至60℃攪拌30 min。流延成膜并在200℃,15 MPa下熱壓2 h,得到PVDF/PANI@BT和PVDF/PANI@BThBN兩種復(fù)合材料,復(fù)合材料中填料質(zhì)量分數(shù)分別為10%,20%,30%,40%和50%,在PVDF/PANI@BT-hBN中,hBN和PANI@BT的質(zhì)量比為1∶10。
XRD測試:管電流30 mA,管電壓40 kV,射線源為Cu Kα,波長λ=0.154 nm,掃描速率為5°/min,掃描范圍為5°~90°。
FTIR測試:將待測樣品與KBr混合后壓片,波數(shù)范圍為500~4 000 cm–1。
SEM表征及能譜分析:待測樣品噴金處理后觀察,加速電壓20 kV。
TEM表征:將待測樣品滴加在碳膜銅網(wǎng)上后觀察,加速電壓200 kV。
力學(xué)性能測試:按照ASTM-D412–2006制成100 mm×20 mm×1 mm標準啞鈴片,拉伸速率為100 mm/min。
介電性能測試:測試溫度為室溫,頻率為102~107Hz,電壓為250 V。
擊穿場強測試:在室溫下以0.8 kV/s的升壓速度進行測定。
對三種填料BT,PANI@BT和PANI@BThBN進行FTIR表征,結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看到,BT粒子在3 400,600 cm–1處的吸收峰,分別對應(yīng)于O—H和Ti—O的伸縮振動峰。包覆PANI后,在1 580,1 500,1 370 cm–1的特征峰歸屬于PANI的醌式和苯式結(jié)構(gòu)及C—N的伸縮振動峰,表明在BT粒子存在的條件下,乳液聚合法已成功合成PANI。對于PANI@BT-hBN的FTIR譜圖,在3 200,750 cm–1處出現(xiàn)了歸屬于hBN的O—H的伸縮振動峰和B—N的彎曲振動峰,說明hBN成功與PANI@BT混合。
圖1 BT,PANI@BT和PANI@BT-hBN的FTIR譜圖
圖2為BT,PANI@BT和PANI@BT-hBN的XRD譜圖。由圖2可以看到,BT粒子是典型的鈣鈦礦相結(jié)構(gòu),且2θ=45°處無峰裂,表明以立方相形式存在。相比于BT粒子,PANI@BT的衍射圖上沒有出現(xiàn)新的衍射峰,表明PANI的加入并未對BT的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響。在PANI@BT-hBN的譜圖上出現(xiàn)位于26.6°和41.6°的衍射峰,對應(yīng)hBN的(020)和(100)晶面,表明hBN為六方晶相,且驗證了hBN與PANI@BT的成功混合。
圖2 BT,PANI@BT和PANI@BT-hBN的XRD譜圖
采用SEM和TEM分別對BT,PANI@BT和PANI@BT-hBN的形貌進行表征,結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看到,BT粒子為較規(guī)整的球形,平均粒徑為70 nm,包覆PANI后表面出現(xiàn)了粘結(jié)。由圖3c中可以觀察到明顯的核殼結(jié)構(gòu),PANI殼層約5 nm。在圖4d中,既可觀察到球形的PANI@BT粒子,又可觀察到hBN片層的存在,且PANI@BT粒子較好地分散在hBN片層表面。
圖3 BT,PANI@BT和PANI@BT-hBN的SEM與TEM照片
圖4 不同復(fù)合材料截面的SEM照片及元素分布圖
對PVDF/PANI@BT和PVDF/PANI@BT-hBN兩種復(fù)合材料的截面進行能譜分析,結(jié)果如圖4所示。從Ba和Ti元素的分布可以看出,PANI@BT粒子填料在基體中的團聚現(xiàn)象十分明顯,團聚可達數(shù)十微米。hBN的加入對PANI@BT粒子分散性的改善極為明顯,視野中未見明顯團聚,這主要是因為PANI@BT粒子與hBN之間存在靜電相互作用,使得PANI@BT粒子傾向于較為均勻地附著在hBN表面,從而減少了PANI@BT粒子之間的接觸,提高了填料的分散性。
對PVDF/PANI@BT和PVDF/PANI@BT-hBN兩種復(fù)合材料進行拉伸測試,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看到,PVDF/PANI@BT的拉伸強度和斷裂伸長率均隨填料含量的增加而下降,這是因為PANI@BT在聚合物基體中團聚導(dǎo)致應(yīng)力集中的結(jié)果?;烊雋BN后的雜化填料可明顯改善復(fù)合材料的力學(xué)性能,拉伸強度和斷裂伸長率均高于未混合hBN的PVDF/PANI@BT復(fù)合材料,且隨著雜化填料含量的增加,PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率先增大后減小,最高達到43.48 MPa和23.97%,比純PVDF高19.74%和125%,比相同填料含量的PVDF/PANI@BT復(fù)合材料提高23%和415%。這是因為BN表面的羥基與聚合物基體間的氫鍵作用,使填料和聚合物基體之間的粘結(jié)增強,二維片層結(jié)構(gòu)分擔了部分載荷[12–13],另一方面,hBN的加入改善了填料在基體內(nèi)的分散性,減少了復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷。
圖5 不同復(fù)合材料的拉伸性能
不同頻率下兩種復(fù)合材料的介電常數(shù)如圖6所示。由圖6可以看到,隨著頻率的增加,PVDF/PANI@BT-hBN和PVDF/PANI@BT復(fù)合材料的介電常數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。在低頻范圍內(nèi),界面極化跟不上頻率變化,導(dǎo)致介電常數(shù)下降。當頻率升高到105Hz以上時,取向極化跟不上頻率變化,導(dǎo)致介電常數(shù)進一步降低。隨著填料含量的增加,兩種復(fù)合材料的介電常數(shù)均隨之增大,其中添加質(zhì)量分數(shù)50% PANI@BT的PVDF復(fù)合材料的介電常數(shù)在100 Hz時為83,混入hBN后的PVDF/PANI@BT-hBN的介電常數(shù)進一步增大達到169,相較于PVDF/PANI@BT提高了103.6%,是純PVDF薄膜18.9倍。首先核殼結(jié)構(gòu)填料的設(shè)計,緩解了介電錯配,并為復(fù)合材料提供了大量的界面,賦予復(fù)合材料較高的介電常數(shù);加入hBN后,新的界面及填料分散性的提高增強了界面極化,使復(fù)合材料的介電常數(shù)得以進一步提高。
圖6 不同填料質(zhì)量分數(shù)下兩種復(fù)合材料的介電常數(shù)
不同頻率下兩種復(fù)合材料的介電損耗如圖7所示。由圖7可以看到,隨著填料含量的增加,PVDF/PANI@BT-hBN和PVDF/PANI@BT復(fù)合材料的介電損耗均整體增大,且相較于PVDF/PANI@BT,加入hBN后的PVDF/PANI@BT-hBN的介電損耗略有上升。這是因為hBN的加入不但使復(fù)合材料體系內(nèi)界面極化增強,而且改變了PANI@BT的分布狀況,造成隧道效應(yīng)增強進而使復(fù)合材料介電損耗有所上升[14–15],但與加入hBN前的PVDF/PANI@BT復(fù)合材料保持在同一水平。
圖7 不同填料質(zhì)量分數(shù)下兩種復(fù)合材料的介電損耗
圖8是兩種復(fù)合材料擊穿場強的Weibull分布圖。利用Weibull分布可評判材料擊穿性能的統(tǒng)計規(guī)律,能強有力地反映出材料在電場作用下被擊穿而失效的概率,其中擬合曲線在縱坐標數(shù)值63.2處對應(yīng)的橫坐標數(shù)值為復(fù)合材料的擊穿場強。由圖8可以看到,當填料含量逐漸增加時,PVDF/PANI@BT的擊穿場強呈下降趨勢,而PVDF/PANI@BThBN的擊穿場強先增大后減小。當填料質(zhì)量分數(shù)為10%時,PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料的擊穿場強最高為145.2 kV/mm,比只添加質(zhì)量分數(shù)10%PANI@BT的PVDF復(fù)合材料高66.9%,比純PVDF提高了6.6%。作為具有優(yōu)異絕緣性能的二維片層材料,hBN可以阻礙或減緩復(fù)合材料中電樹枝的發(fā)展[16–18];另一方面,hBN的加入改善了填料在樹脂基體內(nèi)的分散性,減少了復(fù)合材料中的缺陷,從而使PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料的擊穿場強高于PVDF/PANI@BT復(fù)合材料。但進一步增加填料含量時,界面累積空間電荷的增加和隧道效應(yīng)的增強,造成PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料擊穿場強的下降。
圖8 不同填料質(zhì)量分數(shù)下兩種復(fù)合材料擊穿場強的Weibull分布圖
(1) FTIR,XRD,SEM和TEM表征表明,利用乳液聚合法成功制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的PANI@BT,且PANI@BT可較好地分布于hBN表面。
(2)通過SEM能譜分析表明,hBN的加入可以明顯改善填料在聚合物基體中的分散性。
(3)與相同填料含量的PVDF/PANI@BT復(fù)合材料相比,PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料的力學(xué)性能、介電常數(shù)和擊穿場強均有所提高,介電損耗雖略有增大,但保持在同一水平。隨著填料含量的增加,復(fù)合材料的介電常數(shù)增大,當填料質(zhì)量分數(shù)為50%時,PVDF/PANI@BT-hBN的介電常數(shù)在100 Hz時達到169,較PVDF/PANI@BT復(fù)合材料提高了103.6%。PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料的擊穿場強、拉伸強度和斷裂伸長率均隨填料含量的增加而先增大后減小,當填料質(zhì)量分數(shù)為10%時,PVDF/PANI@BT-hBN復(fù)合材料的擊穿場強最高為145.2 kV/mm,比添加質(zhì)量分數(shù)10% PANI@BT的PVDF復(fù)合材料高66.9%。