一种定量表征聚合物偶极矩的方法

1.本发明属于高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种定量表征聚合物偶极矩的方法。


背景技术：

2.关于极性电介质偶极矩的测量与表征，一直是学术界的一大难题。在现有技术中，可通过核磁共振技术、液相色谱法和折光法等实验手段，实现对极性液体偶极矩的测量，但目前尚未有可以对固体电介质的偶极矩进行定量表征的方法。


技术实现要素：

3.本发明提供一种定量表征聚合物偶极矩的方法，以解决目前尚无对固体电介质偶极矩进行定量表征的问题。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种定量表征聚合物偶极矩的方法，包括以下步骤：
6.步骤1：设定介电谱的测试温度、测试频率、测试电压，在上述测试条件下，测试聚合物的介电谱；
7.步骤2：对步骤1中所述介电谱的偶极极化过程进行数值拟合，得到上述聚合物的偶极极化松弛强度；
8.步骤3：拟合上述偶极极化松弛强度与测试温度倒数的线性关系得到斜率，根据所述斜率，通过计算得到聚合物在步骤1所述测试条件的偶极矩。
9.进一步地，所述聚合物为环氧树脂固化物。
10.进一步地，步骤1中，所述介电谱的测试温度为160℃～220℃。
11.进一步地，步骤1中，所述介电谱的测试频率为1hz～106hz。
12.进一步地，步骤1中，所述介电谱的测试电压为交流电压，其有效值为1v。
13.进一步地，步骤2中，采用h-n函数对所述介电谱的偶极极化过程进行数值拟合，h-n函数如下式：
[0014][0015]
其中，ε
r*
是聚合物的复介电常数，ε
r∞
是光频介电常数，δε是偶极极化松弛强度，τ是松弛时间，i为虚数符号，ω是角频率，β与γ是图形系数。
[0016]
进一步地，步骤3中，根据所述斜率通过如下公式计算得到偶极矩μ0：
[0017][0018]
其中，k1为拟合偶极极化松弛强度与测试温度倒数线性线性关系得到的斜率，μ0为偶极矩，k为玻尔兹曼常数。
[0019]
进一步地，步骤3中，所述计算采用如下公式：
[0020][0021]
其中，δε为偶极极化松弛强度，k为玻尔兹曼常数，t为测试温度，μ0为偶极矩。
[0022]
进一步地，所述聚合物的制备过程包括以下步骤：
[0023]
步骤1：将脱模剂均匀喷涂在模具上，然后将模具放入温度为130℃的烘箱进行预热，预热时间为2h；
[0024]
步骤2：取甲基四氢苯酐固化剂和n-n二甲基苄胺促进剂，在常温常压下搅拌5min，得到混合物a；
[0025]
步骤3：取环氧树脂和混合物a在50℃温度下搅拌并脱气30min，得到混合物b；
[0026]
步骤4：将混合物b倒入预热好的模具中，并置于真空烘箱内脱气10min，得到脱气后的模具；
[0027]
步骤5：将脱气后的模具置于鼓风烘箱中进行固化，固化结束得到环氧树脂固化物试样，将环氧树脂固化物试样置于空气中自然冷却24h，然后用无水乙醇超声清洗，最后放入温度为50℃的烘箱中备用；
[0028]
步骤6：将步骤5中所述备用的环氧树脂固化物试样取出，在两端喷镀金电极；
[0029]
上述步骤中，甲基四氢苯酐固化剂、n-n二甲基苄胺促进剂和环氧树脂之间的比例为86.04g：0.6g：100g。
[0030]
进一步地，所述环氧树脂进行预处理的步骤5中，进行固化的温控程序为，先升温至80℃保持2h，随后升温至140℃保持12h。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0032]
本发明所提出的方法可测量的极性电介质包括固态电介质与液态电介质，实现了对固态电介质偶极矩定量计算与表征的零突破。之前由于不存在测量固体材料偶极矩的方法，因此通常通过计算，仿真得到材料的偶极矩，缺少实验表征方法。本发明方法通过介电拟合技术，通过实验与数值计算相结合的方法，实现测量固体材料偶极矩的零突破。
附图说明
[0033]
图1为本发明制备出的环氧树脂在高温下的介电谱，其中，图中的实线为h-n函数的拟合曲线。
[0034]
图2为通过h-n函数数值计算得到的松弛强度与温度倒数的拟合曲线，其中，k1为拟合曲线的斜率。
具体实施方式
[0035]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细描述，所述内容是对本发明的解释而不是限定。
[0036]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0037]
本发明的具体步骤包括以下：
[0038]
(1)将佳丹909脱模剂均匀喷涂在模具上，然后将模具放入温度为130℃的烘箱中预热2h；
[0039]
(2)称取86.04g甲基四氢苯酐固化剂和0.6g n-n二甲基苄胺促进剂倒入三口烧瓶中，常温常压下搅拌5min，得到混合物a；
[0040]
(3)称取100g环氧树脂(环氧值为0.576mol/100g)倒入三口烧瓶中，在50℃温度下搅拌并脱气30min，得到混合物b；
[0041]
(4)将混合物b倒入预热好的模具，并置于真空烘箱中脱气10min；
[0042]
(5)将脱气后的模具置于鼓风烘箱中开始固化，进行固化的温控程序为，先升温至80℃保持2h，随后升温至140℃保持12h，待固化结束后开模得到环氧树脂固化物试样，将环氧树脂固化物试样置于空气中自然冷却24h后，用无水乙醇超声清洗，放入温度为50℃的烘箱中备用；
[0043]
(6)将步骤(5)中备用的环氧树脂固化物试样取出，在环氧树脂固化物试样两端喷镀金电极，两端电极直径分别为30mm与40mm；
[0044]
(7)设定宽频介电谱测试条件，测量温度为160℃、180℃、200℃、220℃，测试频率为1hz～106hz，测试过程中系统极化电压为有效值1v的交流电压；
[0045]
(8)使用h-n函数对(7)中测得的介电谱数据进行拟合，拟合曲线见图1，h-n函数见(1)式，拟合参数见下表1；
[0046][0047]
其中，ε
r*
是聚合物的复介电常数，ε
r∞
是光频介电常数，δε是偶极极化松弛强度，τ是松弛时间，i为虚数符号，ω是角频率，β与γ是图形系数。
[0048]
(9)根据(2)式，对下表1中松弛强度δε与温度倒数进行线性拟合，如图2，然后根据拟合得到的斜率，求得环氧树脂固化物在外加电场1v/mm时的偶极矩。
[0049][0050]
其中，δε为偶极极化的松弛强度，k为玻尔兹曼常数，t为测试温度，μ0为偶极矩。
[0051]
表1环氧树脂在不同温度下的偶极极化的松弛强度
[0052][0053]
表1为环氧树脂在试验条件下h-n函数拟合得到的不同温度下，偶极极化过程的松弛强度。根据表1中的数据和(2)式，可以计算得到环氧树脂在外加电场1v/mm条件下的偶极
矩大小为0.520d。
[0054]
依据上述具体实施例的阐述，本发明实现了一种定量表征聚合物偶极矩的方法，通过测量极性聚合物玻璃化转变温度之上的介电谱，对偶极极化行为进行数值拟合，从而计算出极性电介质的偶极矩，实现了对固体材料偶极矩的定量表征。
[0055]
由技术常识可知，本发明可以通过其它不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的，所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

技术特征：
1.一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设定介电谱的测试温度、测试频率、测试电压，在上述测试条件下，测试聚合物的介电谱；步骤2：对步骤1中所述介电谱的偶极极化过程进行数值拟合，得到上述聚合物的偶极极化松弛强度；步骤3：拟合上述偶极极化松弛强度与测试温度倒数的线性关系得到斜率，根据所述斜率，通过计算得到聚合物在步骤1所述测试条件的偶极矩。2.根据权利要求1所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，所述聚合物为环氧树脂固化物。3.根据权利要求1所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，步骤1中，所述介电谱的测试温度为160℃～220℃。4.根据权利要求1所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，步骤1中，所述介电谱的测试频率为1hz～106hz。5.根据权利要求1所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，步骤1中，所述介电谱的测试电压为交流电压，其有效值为1v。6.根据权利要求1所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，步骤2中，采用h-n函数对所述介电谱的偶极极化过程进行数值拟合，h-n函数如下式：其中，ε
r*
是聚合物的复介电常数，ε
r∞
是光频介电常数，δε是偶极极化松弛强度，τ是松弛时间，i为虚数符号，ω是角频率，β与γ是图形系数。7.根据权利要求6所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，步骤3中，根据所述斜率通过如下公式计算得到偶极矩μ0：其中，k1为拟合偶极极化松弛强度与测试温度倒数线性线性关系得到的斜率，μ0为偶极矩，k为玻尔兹曼常数。8.根据权利要求7所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，步骤3中，所述计算采用如下公式：其中，δε为偶极极化松弛强度，k为玻尔兹曼常数，t为测试温度，μ0为偶极矩。9.根据权利要求1所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，所述聚合物的制备过程包括以下步骤：步骤1：将脱模剂均匀喷涂在模具上，然后将模具放入温度为130℃的烘箱进行预热，预热时间为2h；步骤2：取甲基四氢苯酐固化剂和n-n二甲基苄胺促进剂，在常温常压下搅拌5min，得到混合物a；
步骤3：取环氧树脂和混合物a在50℃温度下搅拌并脱气30min，得到混合物b；步骤4：将混合物b倒入预热好的模具中，并置于真空烘箱内脱气10min，得到脱气后的模具；步骤5：将脱气后的模具置于鼓风烘箱中进行固化，固化结束得到环氧树脂固化物试样，将环氧树脂固化物试样置于空气中自然冷却24h，然后用无水乙醇超声清洗，最后放入温度为50℃的烘箱中备用；步骤6：将步骤5中所述备用的环氧树脂固化物试样取出，在两端喷镀金电极；上述步骤中，甲基四氢苯酐固化剂、n-n二甲基苄胺促进剂和环氧树脂之间的比例为86.04g：0.6g：100g。10.根据权利要求9所述的一种定量表征聚合物偶极矩的方法，其特征在于，所述环氧树脂进行预处理的步骤5中，进行固化的温控程序为，先升温至80℃保持2h，随后升温至140℃保持12h。

技术总结
本发明公开了一种定量表征聚合物偶极矩的方法。通过测量聚合物玻璃化转变温度之上的介电谱，使用H-N函数对实验数据进行数值拟合计算，得到不同温度下，极性聚合物偶极极化的松弛强度，进而通过拟合偶极极化松弛强度与温度倒数的线性关系，求得的斜率即为仅与极性聚合物偶极矩有关的常数，可通过简单数学计算，以此求得极性聚合物的偶极矩。与现有仅可测量极性电介质偶极矩的方法如核磁共振、液相色谱法和折光法等，本发明所提出的方法可测量的极性电介质包括固态电介质与液态电介质，实现了对固态电介质偶极矩定量计算与表征的“0”突破。破。破。


技术研发人员：李明儒 冯阳 李盛涛 郎建宇 尚恺 高雅芳 牛欢 唐樊 范伟博 程璐
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/7/12