纳米粒子三维网络的构建及其对环氧复合材料性能影响的研究

来源 :上海工程技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:safe110a
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环氧树脂(EP)作为一种具有优异耐化学性、强附着力、良好稳定性、及低成本等优点的热固性聚合物,广泛应用于航空航天、汽车电子器件、结构胶粘剂等工业领域。然而,由于声子转移时分子链的随机旋转和振动,环氧树脂的导热系数低至0.19~0.21W·m-1K-1。同时,高度交联网络引起的EP树脂的脆性和低抗冲击性极大地限制了其应用。根据应用领域需要性能的不同,需要对EP树脂进行特定改性。人们对微型化电子设备的需求不断增加和电子设备向集成化、功能化方向发展,电子设备的散热成为电子封装领域的一个关键问题。由此,对广泛使用于封装或支撑材料的聚合物基复合材料的导热性能提出了更高的要求。为了显著增强高分子复合材料的导热性能,需要在EP树脂中添加高导热性填料,本论文首先使用低含量的氮化硼(BN)与二氧化硅(SiO2)纳米粒子作为导热填料,以聚氨酯(PU)海绵为三维骨架制备环氧基导热复合材料;此外,由于EP树脂的高交联密度引起的脆性和低抗冲击性都限制其在工业中应用,本研究通过热塑性树脂聚醚酰亚胺(PEI)对EP树脂进行增韧,同时以银纳米线(Ag NWs)作为导电填料,通过Ag NWs的选择性分散提升EP/PEI复合材料的导电性能。主要工作如下:第一,以PU海绵为三维导热骨架制备EP/PU@BN导热复合材料,选用不同片径BN,对复合材料的形貌、导热性能、热机械性能进行测试分析。EP/PU@BN(BN d=40μm)复合材料的热导率高于EP/PU@BN(BN d=500 nm),当BN(40μm)的填充量为5wt%时,EP/PU@BN导热复合材料的导热系数为0.421 W·m-1K-1,提升了110%。BN的引入使得复合体系储能模量随着填料含量的增加而提升,对玻璃化转变温度影响不大。第二,以PU海绵为三维导热骨架制备EP/PU@BN&SiO2导热复合材料,选用不同片径BN及不同尺寸SiO2,对复合材料的形貌、导热性能、热机械性能进行研究。通过EP/PU@BN(500 nm)&SiO2(20 nm)、EP/PU@BN(500 nm)&SiO2(140 nm)、EP/PU@BN(40μm)&SiO2(20 nm)、EP/PU@BN(40μm)&SiO2(140 nm)四个复合体系的热导率结果对比,EP/PU@BN(40μm)&SiO2(140 nm)复合体系的导热系数最高,BN(40μm)&SiO2(140 nm)的填充率为5 wt%时,导热系数为0.429 W·m-1K-1,比纯环氧树脂提升了145%。BN与SiO2的引入使得复合体系的储能模量随着填料含量的增加而提升,玻璃化转变温度提升了6~8oC。第三,对加入低含量银纳米线的环氧/聚醚亚胺(EP/PEI)二元体系的形貌、相分离动力学、导热性能、热机械性能进行研究。在EP/PEI共混物的反应诱导相分离过程中,体系最终成双连续相结构,Ag NWs在连续EP富集相中选择性分散。当Ag NWs含量为3 wt%时,即可获得低电阻率。玻璃化转变温度、导电性和导热性均因加入低含量的Ag NWs而提高。在Ag NWs的填充率为3 wt%时,EP/PEI复合材料的表面电阻率从6.5×1016Ω下降到9.6×105Ω,同时复合材料的热导率提高了38%。此外,通过光学显微镜、时间分辨光散射、差示扫描量热法和扫描电子显微镜对EP/PEI共混体系的相分离过程进行了表征,Ag NWs对反应诱导的相分离动力学和双连续网络结构的形成具有重要的影响。
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