文摘
聚丁烯对苯二酸酯)(PBT)是一种使用最广泛的半结晶热塑性塑料聚酯因其优越的热机械性能,高尺寸稳定性和优良的加工性能。在这个研究PBT-based纳米复合材料,包括各种数量(10 wt %)的商业氧化铝胡须,已经准备通过使用Brabender内部室混合器和分析的形态特性和介电性能。特定的注意力一直集中在填料功能化的影响考虑3-glycidoxy propylmethoxysilane (GPS)或3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS)作为耦合剂。测试,对化合物进行满整洁功能化氧化铝胡须,显示一个明确的依赖相对介电常数不变性的耗散因子(),一个明智的体积电阻率的增加填充的内容和鼓励等未来引入复合材料在许多电子应用程序。
1。介绍
聚丁烯对苯二酸酯)(PBT)树脂半结晶热塑性塑料有非常有趣的属性如优良的尺寸稳定性、高刚度和硬度,良好的耐化学物质,良好的机械性能和加工性能。因此它们被用于各种各样的应用程序获得项目主要通过注射成型。
然而,用塑料代替传统材料不断增加美联储越来越需求开发更高性能的PBT树脂适用于各种加工条件,因此,利用各种先进领域的混合与其他树脂(1- - - - - -5与无机填料[]或复合6- - - - - -11]。后一种情况下,意识到有机(聚合物)的最优组合和无机(nanofiller)阶段会导致新颖的功能材料,如果达到最优分布的填料,有趣的结果已经发表在改进的几个方面表现为抗紫外线(12,13和可燃性14- - - - - -17的聚丁烯对苯二酸酯树脂。
如今,连续倾向组件的小型化,引入更严重的责任周期,减少维护成本(18),或新技术19,20.]指导研究探讨小说介电材料将使实现更高的电气、机械、电气和电子应用程序和热性能。在这方面,众所周知,陶瓷具有高介电常数和重要的绝缘强度和高抗热震性和化学稳定性输酸碱腐蚀,但他们脆弱,可怜的机械强度。亦然,聚合物是灵活和容易的过程,有较低的介电常数,可以承受高的领域。所以我们的想法是将聚合物和陶瓷的优势来获取新的混合材料改进为多个应用程序在电容器介质特征,在电机,在电缆,等等。特别是,随着纳米技术和纳米填料的可用性(至少有一个维度不到100海里),“新”材料的研究已经集中精力学习获得的聚合物复合材料添加到原始矩阵各种nanofillers不同的形状,尺寸,重量百分比以传授一个或多个特定属性的绝缘系统。
在这个框架中,几个研究已经报道的结果基于环氧nanodielectric系统(21- - - - - -26),硅纳米复合材料(27,28),但也对基于热塑性复合系统矩阵聚乙烯(29日,30.),乙烯-酒精乙烯(EVA) (31日,32),聚(偏二氟乙烯(PVDF))33- - - - - -35]。
一般来说,它是完善,界面区域的性质起着关键作用在确定这些材料的介电行为。界面的交互和增强区域通过包含nanofillers影响界面极化的形成当地的电导率(22]。纳米复合材料的介电常数的增加主要是由于更高的填充物对介电常数矩阵,同时减少相同的介质参数通常与高分子链运动的限制接口。
在这方面,值得考虑的是,在介电材料电荷积累的速度和速度之间的差异的删除一个电场诱导的应用空间电荷现象导致当地的内部字段的增加。考虑到这种行为可能会导致更快的退化和过早失效的材料,一个特定的关注在空间电荷形成的机制与高分子材料的介电行为(36,37]。复合材料的研究表明,纳米粒子与动态减少电荷积累速度远远超过在系统包含小型化的(38)和纳米复合材料通常表现出降低和重新分配空间电荷与利用(相比39]。这种行为,根据Montanari et al。40),可以假设来解释,纳米粒子的存在,浅陷阱乐队形成,分发或替换原来的陷阱乐队,尤其是在高填充载荷。浅陷阱乐队的存在导致更高的载流子,因此流动性较低的空间电荷积累。然而,在某些纳米复合材料也报道,深陷阱的存在(41),相反,会恶化同样积累的指控。考虑到空间电荷行为是影响填料和矩阵的本质和属性的界面,也很明显,在这种情况下,更好的理解聚合物复合材料的介电性能经过filler-matrix交互的分析。
研究的主要目的是调查的内容相对较低的影响2O3whisker-type纳米粒子的介电性能,聚丁烯对苯二酸盐为基础的纳米复合材料由批加剧融化。根据以上的观察,在这个工作两种不同化学预处理的氧化铝晶须粒子被用来提高交互的接口与主机矩阵。基于化学修改的实际收益率3-glycidoxy propylmethoxysilane (GPS)或3 - (methacryloxypropyl) trimethoxysilane (MPS)执行根据报告路线在别处(42,43)是系统地验证了红外光谱调查。
在所有情况下,验证后的成就令人满意的填料的分散主机PBT矩阵通过形态学观察,效果与应用粒子填充内容和类型的功能化介电参数的产品,如体积电阻率、介电常数和损耗因子在室温下评估报告和讨论前面提到的方法的调用。
2。材料和方法
2.1。材料
本研究中使用的聚合物基体的聚(对苯二甲酸丁二酯(PBT)) POCAN B1505 (MFI 250°C / 2.16公斤:16 g / 10分钟,:1.31克/厘米3,由朗盛GmbH是一家:225°C)。
商业氧化铝胡须(Al2O3),由Sigma-Aldrich粒子直径2 - 6纳米,长度200 - 400海里,被用作填料。
3-glycidoxy propylmethoxysilane (GPS)和3 - (methacryloxypropyl) trimethoxysilane (MPS)从Sigma-Aldrich化学公司购买了预处理氧化铝胡须。
2.2。制备PBT /2O3须纳米复合材料
纳米复合材料是准备在实验室规模连续阶段按照下列程序。的1%,3%,5%,7%,和10%按重量纳米粒子的接收或prefunctionalized氧化铝熔融PBT的胡须是由分批混合技术。特别是,所有复合系统准备在Brabender-type密炼机(德拉Rheocord EC HAAKE NJ)在235°C的总混合时间10分钟。转子转速为80 rpm。应用一个离心力产生的湍流运动融化的高剪切力倾向于单独的纳米颗粒,以避免聚集的形成。一夜之间,在复合之前,PBT和氧化铝纳米颗粒被干在真空炉在90°C。平面,碟状样品的介电测量,其特点是厚度介于0.9和1.0毫米直径是通过使用实验室液压机操作在240°C和70巴。
2.3。表征技术
显微分析是由使用场发射扫描电子显微镜(SEM)国防部。范广达200 f配备能量色散谱仪(EDS)牛津印加能源系统的断裂表面元素分析。取得了显微图操作在高真空条件下Cr-metalized样品和20 kV电压。
SEM观察结果被定性完成能量色散x射线能谱(EDS,牛津,印加能源系统)分析以确认分散粒子的性质。
直流体积电阻率(在21°C)是衡量一个圆盘形的样本。在测量之前,标本在控制温度的烤箱举行30°C 48小时。每个标本在一个合适的保护细胞保护环电极和直流电压为1400 V,对应于一个应用电场从14 - 15.5 kV /厘米。传导电流的读数是120年代后的应用直流电压,当达到一个稳定状态。
介电常数和损耗因子测量进行室温(23°C)和低电压(1.1 V)的频率范围()利用阻抗分析仪惠普4192 a和一个合适的测试细胞安捷伦16451 b。介电测试夹具配备一双4-terminal电缆组件,用于保护电极配置。
3所示。结果与讨论
3.1。形态
研究复合材料都是系统地研究了形态学的角度来验证实际分布的氧化铝粒子在聚合物基质。
作为一个例子,数字1,2,3比较显微图,在平等的放大,系统包含1、5,分别重量和10%的氧化铝胡须。照片清晰地突出在所有情况下均匀分布的点的存在。洞出现在nonfunctionalized样本可能只是相关驱逐包括粒子在样本的断裂。相反,最少、点似乎是与主机矩阵的功能化系统的断裂一步诱导一定屈服行为的聚酯矩阵在氧化铝粒子的对应关系。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
这些点的性质验证了EDS元素分析。在这个目的,守时的采样点了典型的光谱图所示4。特征峰的分析借助合适的数据银行确认氧化铝填料分散点的归因。
(一)
(b)
3.2。直流体积电阻率
本文中给出的数据是5个样品的平均值;三个测量了每个样本,照顾两个连续测量样本之间接地电极之间举行,直到短路电流低于噪声水平。
结果表明填充功能化的影响和填料含量对直流体积电阻率,突出显示的图片如图5。体积电阻率高于未交货树脂;特别是,引入少量的填料重量(少于1%)增加了直流体积电阻率值()4数量级的功能化(MPS和GPS)样本及nonfunctionalized大约3个数量级的样品(NOf)。当填料含量增加,电阻率略有降低,nonfunctionalized样品我们发现突然下降10%氧化铝含量。
对后一种行为,值得注意的是,一般来说,无机填料的引入到矩阵可以提高直流电导率自nanofiller粒子,在界面修改矩阵的放松,作为离子清除剂成为可能的离子源航空公司增加导电率(44]。电阻率的增加,相反,可能归因于创建新的陷阱乐队,比原来的陷阱的基础聚合物。事实上,纳米粒子表面聚合物结构中产生一个变化可以成为占主导地位的大小减少填料,由于这种结构变化,新乐队可以起源于表面nanofillers和基础聚合物之间的相互作用,降低了载流子迁移率和体积电阻率增加。电阻率的减少与填充内容可能表明一个关键界面面积已经达到,这对应于一个最小的运营商移动和能源和一个强大和稳定的nanofiller表面和聚合物基体之间的结合。如果不功能化纳米复合材料,对高填充内容这种效果消失,10%复合填充内容类似于空材料。实验正在进行中,以调查的介电行为nanofiller内容按重量低于1%。
3.3。介电谱
测试是使用标准的设备和执行,也在这种情况下,报告的数据是3测量样本的平均值。每个标本,测量前,一直在烤箱的温度控制30°C。
我们真正感兴趣的部分复介电常数的材料和耗散因子分别,相关损失的能量存储在介质和介质。首先我们使用仪器测量电容然后每个标本的耗散系数和复介电常数的实部是通过样品的几何形状。
关于介电常数的实部,该介电参数通常是增加如果基础聚合物以来充满了小型化粒子填充聚合物的介电常数比空高,导致界面的极化现象Maxwell-Wagner-Sillars通过阻塞费用的接口类型。相反,在纳米填料的情况下,在图6我们的研究结果显示,相对介电常数略有减少填料含量高达3% wt,结果是按照许多实验观察(45]。低介电常数的值可以被认为是一个好的纳米复合材料的一个标志。减少,符合之前的考虑,可能是归因于纳米粒子聚合物链运动的限制,由于修改后的分子结构和链动力学导致一个强大的表面填料和聚合物之间的相互作用矩阵(46]。田中(提出的多层核心模型47)考虑这种现象通过引入nanofiller之间的紧密结合第一层和聚合物矩阵。这样的结合导致聚合物链流动限制和降低介电常数的值。
(一)
(b)
(c)
在较高填充内容,相反,这种情况似乎正在逆转的介电常数大于基础聚合物可能是因为,在这种情况下,随着填充材料的体积增加,个人的介电常数nanofillers可能会给自己的基本贡献。非均匀分散和集群的形成也可以解释这样的增加(48]。
关于功能化的影响相对介电常数的变化对空缺聚合物,它可以观察到较低的和最大的价值nonfunctionalized更大的样本,从而确认偶极组到纳米粒子表面的连接可以在这种情况下高度可变,而功能化使它更加强大和稳定49]。
在所有标本,介电常数与频率减少单调,因为它变得更大偶极群很难定位自己,和他们的贡献与频率极化趋于消失。
频率响应的耗散因子()如图7所有不同种类的纳米复合材料。损失相比,纳米复合材料差别并不是很大,如果没有填充的聚合物。较低的值在整个频率范围内显示了复合材料填料含量较低(1%和3%),而10%的标本总是表现出最高的值。较低的损失可以归因于一个限制nanofillers的侧链的距离。广泛的损失达到高频(MHz范围)总是存在,证明了聚合物的松弛现象的存在。
(一)
(b)
(c)
耗散因子考虑传导和极化损失。在我们的例子中,考虑到相对较低的价值应用电场强度、电阻率的增加与填充内容不合理导致减少值对整洁的聚合物,可能是因为更深的陷阱乐队的影响轨迹现象。损耗因子随频率如图5由于主要贡献是由极化损失是由于分子摩擦。的差异在不同填充内容几乎可以忽略不计。
还在光谱,我们可以观察到功能化的影响,通过稳定填料和聚合物基体之间的附着力,保证一个更稳定的行为耗散因子,用边际差异值测量在不同填充内容。
4所示。结论
包含氧化铝nanowhiskers基于PBT复合系统,是由一批融化复合的形态特征和介电行为。
结果证实了填料的重要性功能化和分配在托管矩阵(50]。
从电介质的角度测量由现在有显示(1)除了填料的类型功能化的引入少量的填料诱发增加相关的直流电阻率高于nonfunctionalized系统和实质上归因于创建新的陷阱乐队,比原来的陷阱深基础聚合物的乐队;这种行为逐渐增加填充内容;(2)介电常数与填充内容减少3% wt高分子链运动由于通常的限制引起的纳米粒子;它增加在较高填充载荷分散粒子的高介电常数和界面极化现象的出现显示效果更加明显增加应用频率;(3)耗散因子有细微的差别如果比较整洁的聚合物;在任何情况下,降低了系统对简洁的矩阵填充载荷较低,因此随频率显示松弛现象;(4)加强nanofillers之间的成键和功能化的聚合物基质可以确保一个更稳定的行为的复合材料作为填料含量的函数。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。