新型聚氯乙烯改性共聚物的合成及其多尺度聚集态结构与介电储能性能调控

基本信息
批准号:51573146
项目类别:面上项目
资助金额:65.00
负责人:张志成
学科分类:
依托单位:西安交通大学
批准年份:2015
结题年份:2019
起止时间:2016-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:解云川,高国新,贾钦相,谭少博,龚红红,李丹,张骁萌,苗贝
关键词:
聚氯乙烯介电改性储能
结项摘要

As one of the most important parts of high pulse capacitors, polymer dielectric materials with high energy storage and low dielectric loss properties exhibit huge value and demands in the national economy and national defense construction. Limited by the synthesis method and the thin films fabrication technology, the current dielectric polymers could hardly balance the high energy storage density and low energy loss. Especially, the understanding of the relationship between the aggregation state of these materials in multi scale and their dielectric and energy storage properties is rather poor. Therefore, in this program, we would like to develop a series of chemical modification methods for poly(vinyl chloride) (PVC) to synthesize two families of copolymers including one is based on PVC as main polymer chain and polyethylene (PE) is as main chain in the other family of copolymers. The modified copolymers would solve the problems such as low thermal stability of PVC and the difficulty in functionalization of PE in traditional way. The dielectric constant, aggregation state in multi scale and the energy storage properties of the copolymers could be tuned in a large scale by controlling the amount and type of polar groups introduced as well as the film fabrication conditions. The deep and new understanding of the relationship between the composition, aggregation state and the electrical properties of these materials would be constructed. At the same time, the new mechanism of balancing the high energy storage and low energy loss would be disclosed, which may guide the design and development of novel high energy density dielectric materials in the future.

具有高储能密度、低能量损耗的聚合物电介质材料是高储能放电电容器中最重要的组成部分,在国民经济和国防建设中具有重要应用价值和巨大需求。受制于合成方法和薄膜加工工艺,现有聚合物在高储能密度和低能量损耗两个方面往往难以兼顾。基于目前对电介质材料中聚合物多尺度聚集态结构与其介电储能性能之间关系认识的不足,本项目拟以聚氯乙烯(PVC)为基础原料,通过化学改性新方法研究,制备出分别以PVC和聚乙烯为主链的新型接枝聚合物,解决PVC热稳定性差和聚烯烃难以功能化的难题。通过对接枝基团极性和含量的调节以及薄膜制备方法的优化实现对改性聚合物介电常数、储能、高压绝缘等特性在较宽范围内的调控,建立对聚合物化学组成、多尺度聚集态结构与其电性能之间关系的新认识,阐明调和此类聚合物高储能密度和低能量损耗之间矛盾的新机制,为高储能低损耗聚合物电介质的设计制备提供理论指导。

项目摘要

具有高储能密度、低能量损耗的聚合物电介质材料是高储能电容器中最重要的组成部分,在国民经济和国防建设中具有重要的应用。受制于合成方法和加工工艺,现有聚合物在高储能密度和低能量损耗两个方面难以兼顾。基于目前对聚合物电介质材料的结构与储能性能的研究,本项目采用乳液聚合、取代、可控自由基聚合及还原反应等方法制备出一系列极性可调、偶极矩排列可控的电介质材料,实现了聚合物的介电、储能性能在较宽范围内的调控。首先,采用可控自由基聚合法在聚氯乙烯(PVC)侧链上接枝聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)链段,得到的PVC-g-PMMA接枝共聚物的击穿电场为557 MV/m且分布更集中,材料使用可靠性增强;其次,采用氯化取代反应将聚乙烯(PE)主链上的C-H键部分取代为C-Cl键,制备出氯化聚乙烯(CPE)。其介电常数为3~4,储能密度(Ue)和能量损耗(Ul)在700 MV/m的电场下分别为12 J/cm3和17%;随后,以苯乙烯(St)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)为共聚单体合成系列不同组成的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)(P(St-MMA))共聚物。通过合理调控极性基团的聚集以减少相互之间的耦合作用,实现偶极极化弛豫的最小化,达到降低聚合物损耗的目的,得到的P(St-MMA)共聚物的介电常数在3~4。当MMA含量为45 mol%时,Ue在550 MV/m电场下为12.2 J/cm3,Ul仅为8%;最后,通过还原反应在PMMA和P(St-MMA)中引入一定量羟基来减小极性基团的β驰豫,并且引入的-OH之间或者-OH与酯基间形成氢键,使得共聚物的模量提高。所得聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯醇)(P(MMA-MAA))共聚物在550 MV/m电场下,Ue可达13 J/cm3,而Ul仅为8%。聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯醇)(P(St-MMA-MAA))共聚物介电常数为3~6,700 MV/m电场下Ue可达14.5 J/cm3,而Ul仅为7%。同时,低极性St的存在,在聚合物中可以有效屏蔽极性基团间的相互作用,从而降低由极性基团聚集引起的损耗。通过对合成的聚合物的基团极性和含量的调节以及薄膜制备方法的优化实现对改性聚合物介电常数、储能等性能在较宽范围内的调控,为高储能低损耗聚合物电介质的设计提供理论指导。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
2

二维MXene材料———Ti_3C_2T_x在钠离子电池中的研究进展

二维MXene材料———Ti_3C_2T_x在钠离子电池中的研究进展

DOI:10.19964/j.issn.1006-4990.2020-0450
发表时间:2021
3

不同交易收费类型组合的电商平台 双边定价及影响研究

不同交易收费类型组合的电商平台 双边定价及影响研究

DOI:10.13956 /j.ss.1001-8409.2018.07.26
发表时间:2018
4

铁酸锌的制备及光催化作用研究现状

铁酸锌的制备及光催化作用研究现状

DOI:10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2019090011
发表时间:2022
5

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT 模块热分析及改进热网络模型

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT 模块热分析及改进热网络模型

DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.151503
发表时间:2017

张志成的其他基金

批准号:51773166
批准年份:2017
资助金额:61.00
项目类别:面上项目
批准号:81200960
批准年份:2012
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:50903065
批准年份:2009
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

PMMA改性氟聚合物的合成及其介电、储电性能研究

批准号:50903065
批准年份:2009
负责人:张志成
学科分类:E0302
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
2

双缆共聚物的多重极化和高介电储能性

批准号:21704025
批准年份:2017
负责人:韩会景
学科分类:B0109
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
3

新型相变储能铁电陶瓷PZ-BMN相结构与性能研究

批准号:U1930122
批准年份:2019
负责人:聂恒昌
学科分类:A31
资助金额:48.00
项目类别:联合基金项目
4

高密度储能电介质陶瓷的结构调控、介电性能与击穿机制研究

批准号:50872102
批准年份:2008
负责人:刘韩星
学科分类:E0208
资助金额:38.00
项目类别:面上项目