CCS Chemistry | 線性增長與三維延伸調控交聯結構,PEI薄膜製備...

2020-12-01 澎湃新聞

以下文章來源於CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

CCSChemistry

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吉林大學張雲鶴教授課題組通過調控可自交聯聚醚醯亞胺(PEI)分子鏈的線性增長與分子鏈三維延伸形成網絡結構間的關係，得到了一類具有優異介電儲能性能的耐高溫聚合物電介質材料。

電介質材料在現代電子工業和先進的儲能應用中起著至關重要的作用，被廣泛應用於航空航天、混合動力汽車以及先進的電磁脈衝系統等。聚醚醯亞胺（PEI）具有良好的熱、力學性能以及較低的介電損耗和優異的儲能性能，被認為是最有前途的高溫儲能聚合物電介質材料。PEI的分子結構中局部鏈段及官能團的運動會隨著溫度升高而增加，這將導致聚合物的次級鬆弛。這種鬆弛對PEI的介電性能非常不利，特別是在高溫、高電場的情況下，會造成材料漏電流增大，傳導損耗增大，進而儲能密度降低，充放電效率大大降低。

聚合物交聯可以有效減少由分子鏈段運動造成的鬆弛現象，提高聚合物材料耐高溫性能、擊穿強度和充放電效率。在眾多交聯反應基團中，苯炔基具有獨特的優點：首先，可通過調節分子鏈的長度來控制交聯的程度；其次，交聯過程無需交聯劑且沒有揮發性物質逸出，可以避免缺陷的產生，這是製備高質量電介質薄膜材料的關鍵；且交聯後形成的網絡結構可以大大提高聚合物的熱學和力學性能。

吉林大學特種工程塑料教育部工程研究中心張雲鶴教授課題組結合聚醚醯亞胺及苯炔基基團的優點製備了一系列可自交聯的PEI低聚物。苯炔基在氧氣下的交聯反應包括兩個過程：分子鏈段的線性增長及分子鏈段三維延伸形成網絡結構。其中，聚合物分子鏈增長可以改善薄膜的力學性能及表觀形貌；分子鏈段三維延伸形成網絡結構可有效抑制鬆弛現象，提升介電性能（圖1）。

圖1

通過控制交聯條件及交聯基團含量，調控聚合物分子鏈的線性增長與分子鏈三維延伸形成網絡結構間的關係，得到了具有優異介電儲能性能的耐高溫聚合物電介質材料。最優交聯結構的PEI薄膜，500 MV/m、150℃時，放電能量密度高達3.6 J/cm3，充放電效率為96.5%。在目前已報導的聚合物電介質材料中具有最優異的高溫儲能性能（圖2）。

圖2

該研究中分子鏈增長及三維網狀結構的形成都利於改善薄膜的性能，介電性能的提升主要來源於三維網狀結構的形成，可在一定交聯度下有效限制分子鏈段運動、抑制PEI的β鬆弛。這種交聯體系的構建既可以改善薄膜的力學性能還可以提高薄膜的介電性能，是製備介電性能優異的聚合物電介質薄膜材料的有效方法，所得到的耐高溫聚合物電介質材料將在先進儲能領域中具有廣闊的應用前景。該工作以Communications的形式發表在CCS Chemistry，已在官網「Just Published」欄目上線。

文章詳情：

Enhanced Discharged Efficiency and High Energy Density at Elevated Temperature in Polymer Dielectric via Manipulating Relaxation Behavior

Yu Zhang, Zheng Liu, Lixue Zhu, Jie Liu, Yunhe Zhang* & Zhenhua Jiang

Citation：CCS Chem. 2020, 2, 1169–1177

文章連結：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.201900111

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原標題：《CCS Chemistry | 線性增長與三維延伸調控交聯結構，PEI薄膜製備優異高溫儲能電介質材料》

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