用于储能应用的可生物降解的聚合物基电介质复合材料的制备

作     者：MOHSIN ALI KADHIM KADHIM 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈广新

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚合物基复合材料 介电性能 生物降解 生物炭 生物来源羟基磷灰石 

摘      要：由于具有宽容量范围、高工作电压、轻质、性能可靠等优点,聚合物基的电介质薄膜电容器等在现代电子学中具有重要作用。通常所研究的介电聚合物和填料都是不可生物降解的,这是产生电子废物污染的原因之一。为了解决这个问题,本研究选择了可生物降解的聚酯PBAT作为基体,将其分别与两种自制的生物质衍生填料复合,制备了可生物降解的聚合物基电介质复合材料。论文主要分为以下几个主要内容: 首先,以香蕉皮废弃物（BP-W）为原料,通过热解的方法,分别制备了N掺杂和非掺杂的生物质炭,N掺杂技术解决了非掺杂生物炭性能上的一些缺陷,通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、能量色散X射线分析（EDX）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）等手段对产物进行了系统表征,结果证实了氮的成功掺杂。并将它们作为含碳导电有机填料分别与PBAT复合制备了复合电介质材料,掺杂N生物炭可以改善聚合物复合材料的介电性能和热稳定性,而不会牺牲力学性能和生物降解性。具体而言,含有10 wt.%N掺杂生物炭的PBAT纳米复合材料的介电常数为10.64,比纯PBAT（介电常数为5.85）增加了83%。此外,复合材料介电损耗在1000 Hz时保持在0.071以下。 其次,通过对生物质废料牛骨头的热解,制备了羟基磷灰石（HAp）并将其作为陶瓷无机填料,对其进行了系统的表征。随后,利用溶液共混和热压技术制备了包含HAp和PBAT的可生物降解介电复合材料,并进行了系统的表征。结果表明了单相结晶HAp的成功制备,具有良好定义的晶界,所得到的可生物降解复合材料表现出显著的介电性能,包括高介电常数、低介电损耗和良好的低填料含量下的击穿强度。介电常数随着填料含量的增加而增加,而介电损耗保持低水平,击穿强度随着填料含量的增加而略有降低。能量储存密度的理论研究表明,PBAT/HAp-3%复合材料具有较高的能量储存密度(Ust=3.56 J/cm3),比纯PBAT(Ust=2.48J/cm3)高出43.55%。HAp/PBAT复合材料的力学性能和热稳定性均得到了不同程度的提升。 此外,对两个体系的复合材料生物降解性能进行了分析,评估了介电复合材料的生物降解行为,包括在不同时间段内浸泡在谷胱甘肽溶液中以模拟酶降解。评估参数包括重量损失率、力学性能和外观检查等。对完全可生物降解的PBAT/绿色填料复合材料的生物降解性能进行了全面的评价。