基于单体直接合成的聚酯杂化材料的结构与性能

doi:10.7503/cjcu20250060

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (8): 20250060.doi: 10.7503/cjcu20250060

基于单体直接合成的聚酯杂化材料的结构与性能

李岩潼¹, 梁倩倩²^,³, 何利¹, 龙欣怡¹, 张迦宇¹, 李佳乐¹, 孙囡¹, 张全平¹()

^1.西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室/材料与化学学院，绵阳 621010
^2.四川大学高分子材料工程国家重点实验室/高分子科学与工程学院，成都 610065
^3.四川东材科技集团股份有限公司，绵阳 621030

收稿日期:2025-02-28 出版日期:2025-08-10 发布日期:2025-05-28
通讯作者: 张全平 E-mail:zhangqp@swust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22309151);四川省自然科学基金(2025ZNSFSC0343)

Structure and Properties of Polyester Hybrid Materials Directly Synthesized from Monomers

LI Yantong¹, LIANG Qianqian²^,³, HE Li¹, LONG Xinyi¹, ZHANG Jiayu¹, LI Jiale¹, SUN Nan¹, ZHANG Quanping¹()

^1.State Key Laboratory of Environment?friendly Energy Materials，School of Materials and Chemistry，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China
^2.State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering，College of Polymer Science and Engineering Sichuan University，Chengdu 610065，China
^3.Sichuan Dongcai Science and Technology Group Co. ，Ltd. ，Mianyang 621030，China

Received:2025-02-28 Online:2025-08-10 Published:2025-05-28
Contact: ZHANG Quanping E-mail:zhangqp@swust.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22309151);the Natural Science Foundation of Sichuan Province, China(2025ZNSFSC0343)

1. ESM to 20250060.pdf(573KB)

摘要/Abstract

摘要：

聚合物杂化材料中掺杂少量无机组分会显著提升材料的力学和介电储能等物理性能. 溶液共混等传统加工策略过程复杂，碳排放较高，较难规模化实施. 本文采用双原位策略从有机-无机单体直接合成出聚酯杂化材料，并利用光谱分析技术研究了有机-无机单体至聚酯杂化材料的分子结构变化. 结果表明，聚酯原位聚合与无机组分原位生长同步，且聚合物分子链和无机组分在分子尺度相互扩散，形成了典型的有机-无机杂化结构；聚酯杂化材料的拉伸强度和断裂伸长率分别从纯聚酯的58.23 MPa和17.14%提升至68.98 MPa和33.69%，介电常数约为纯聚酯的2.1倍，击穿强度从纯聚酯的235.03 MV/m上升至418.38 MV/m(100 ℃)，最终储能密度从纯聚酯的5.38 J/cm³提高到10.64 J/cm³(10 Hz)，提升了97.77%. 本文提供了一种低碳制备高性能聚酯杂化材料的策略，拓展了聚酯材料功能开发和应用新思路.

关键词: 聚对苯二甲酸乙二醇酯, 有机-无机杂化材料, 力学性能, 介电性能

Abstract:

In polymer hybrid materials， a small quantity of inorganic components can significantly enhance physical properties such as mechanical and dielectric energy storage. However， traditional processing strategies like solution blending present complex procedures， high carbon emissions， and scalability challenges. This study employs a dual in situ strategy to directly synthesize polyester hybrid materials from organic-inorganic monomers， meanwhile spectroscopic analysis is utilized to investigate molecular structural evolution from monomers to the hybrid materials. The results demonstrate polyester in situ polymerization synchronizes with in situ growth of inorganic components during synthesis. More importantly， molecular-scale interdiffusion between polymer chains and inorganic components establishes a characteristic organic-inorganic hybrid structure. Tensile strength and elongation at break increase from 58.23 MPa and 17.14% for pure polyester to 68.98 MPa and 33.69%， respectively. The dielectric constant reaches approximately 2.1 times to that of pure polyester， while breakdown strength improves from 235.03 MV/m to 418.38 MV/m at 100 ℃. Consequently， the energy storage density surges from 5.38 J/cm³ to 10.64 J/cm³， representing a 97.77% enhancement. This work provides a low-carbon fabrication strategy for high-performance polyester hybrid materials， which expands functional development avenues and application potential for polyester-based materials.

Key words: Polyethylene terephthalate, Organic-inorganic hybrid material, Mechanical property, Dielectric property

中图分类号:

O631

TrendMD:

李岩潼, 梁倩倩, 何利, 龙欣怡, 张迦宇, 李佳乐, 孙囡, 张全平. 基于单体直接合成的聚酯杂化材料的结构与性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(8): 20250060.

LI Yantong, LIANG Qianqian, HE Li, LONG Xinyi, ZHANG Jiayu, LI Jiale, SUN Nan, ZHANG Quanping. Structure and Properties of Polyester Hybrid Materials Directly Synthesized from Monomers. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(8): 20250060.

图/表 10

Fig.1 1H NMR(A) and 11B NMR(B) spectra of inorganic components during dual in situ synthesis

Fig.2 Molecular fluorescence spectra of inorganic components during dual in situ synthesis(A) and Raman spectra of neat PET and 0.3%BBO/PET(B)

Fig.3 SEM(A), TEM(B) and HRTEM(C) images of 0.3%BBO/PET

Fig.4 DSC curves of 3%BBO/PET(a) and neat PET(b)（A） Heating curves；（B） cooling curves.

Fig.5 Stress⁃strain behaviors(A) and impact properties(B) of 0.3%BBO/PET and neat PET

Fig.6 SEM images of the cross⁃section of 3%BBO/PET(A) and neat PET(B)

Fig.7 Dielectric constant(A) and dielectric loss(B) of 3%BBO/PET(a) and neat PET(b)

Fig.8 Weibull breakdown strength(A) and leakage current density at 100 ℃(B) of 3%BBO/PET(a) and neat PET(b)

Fig.9 P⁃E loop(A), and polarization value(B) of 3%BBO/PET and neat PET

Fig.10 Energy density(A) and energy storage efficiency(B) at various electric fields

参考文献 25

[1]	Yi J.， Zou G.， Huang J.， Ren X.， Tian Q.， Yu Q.， Wang P.， Yuan Y.， Tang W.， Wang C.， Liang L.， Cao Z.， Li Y.， Yu M.， Jiang Y.， Zhang F.， Yang X.， Li W.， Wang X.， Luo Y.， Luo X. J.， Li G.， Hu B.， Liu Z.， Gao H.， Chen X.， Nature， 2023， 624（7991）， 295—302
[2]	Hao Y.， Zhang X.， Jiang L.， Nanoscale Horizons， 2019， 4（5）， 1029—1036
[3]	Zhao H.， Liu S.， Wei Y.， Yue Y.， Gao M.， Li Y.， Zeng X.， Deng X.， Kotov N. A.， Guo L.， Jiang L.， Science， 2022， 375（6580）， 551—556
[4]	Bailey E. J.， Winey K. I.， Prog. Polym. Sci.， 2020， 105， 101242
[5]	He H.， Shen X.， Nie Z.， Prog. Polym. Sci.， 2023， 143， 101710
[6]	Yang K.， Controllable Fabrication and Property Regulation of Polymer Nanocomposites with High Dielectric Constant and Low Dielectric Loss， Shanghai Jiao Tong University， Shang Hai， 2015
	杨科. 高介电低损耗聚合物纳米复合材料的可控制备与性能调控，上海：上海交通大学， 2015
[7]	Cornwall W.， Science， 2021， 373（6550）， 36—39
[8]	Luo F. Y.， Li Y. T.， He L.， Zhang J. Y.， Li J. L.， Sun N.， Zhang Q. P.， Acta Polym. Sinica， 2024， 55（9）， 1207—1215
	罗非艳，李岩潼，何利，张迦宇，李佳乐，孙囡，张全平. 高分子学报， 2024， 55（9）， 1207—1215
[9]	Luo F. Y.， Li Y. T.， Zhang J. Y.， He L.， Li J. L.， Sun N.， Li G. L.， Jiang Y.， Zhou K.， Liang Q. Q.， Guo L.， Wei H. Y.， Wei X. H.， Zhou Y. L.， Yuan J.， Zhang Q. P.， Small， 2024， 20（38）， 2401308
[10]	Deng J. X.， Liu Z. Q.， Pan C. Y.， Liu Y.， Li J.， Zhao F. H.， Lin L.， Inorg. Chem.， 2019， 58（3）， 2012—2019
[11]	Yu S. J.， Gu X. Y.， Deng T. T.， Huang J. H.， Cheng J. W.， Yang G. Y.， Inorg. Chem.， 2017， 56（21）， 12695—12698
[12]	Zhao Y. X.， Feng X.， Feng C. X.， Wang Y. H.， Cheng J. X.， Yu X. L.， Polym. Mater. Sci. Eng.， 2023， 39（5）， 173—181
	赵宇霄，冯鑫，冯晨曦，王玉辉，程金雪，于晓亮，高分子材料科学与工程， 2023， 39（5）， 173—181
[13]	Neumann S. E.， Kwon J.， Gropp C.， Ma L.， Giovine R.， Ma T.， Hanikel N.， Wang K.， Chen T.， Jagani S.， Ritchie R. O.， Xu T.， Yaghi O. M.， Science， 2024， 383（6689）， 1337—1343
[14]	Zhang H.， Heng T. T.， Fang Z. G.， Hu X.， Fang L.， Lu C. H.， Acta Mater. Compos. Sin.， 2021， 38（7）， 2107—2122
	张慧，衡婷婷，房正刚，胡欣，方亮，陆春华. 复合材料学报， 2021， 38（7）， 2107—2122
[15]	Zhang T.， Chen X.， Thakur Y.， Lu B.， Zhang Q.， Runt J.， Zhang Q. M.， Science Advances， 2020， 6（4）， eaax6622
[16]	Chen J.， Cai Z. E.， Jiao S. L.， Zhang X.， Hu Z. J.， Liu M.， Sun B. W.， Hua X. N.， Acta Chimica Sinica， 2023， 81（5）， 480
	陈剑，蔡卓尔，焦淑琳，张祥，胡进忠，刘敏，孙伯旺，花秀妮. 化学学报， 2023， 81（5）， 480
[17]	Simon N.， Raubenheimer K.， Urho N.， Unger S.， Azoulay D.， Farrelly T.， Sousa J.， Asselt H.， Carlini G.， Sekomo C.， Schulte M. L.， Busch P. O.， Wienrich N.， Weiand L.， Science， 2021， 373（6550）， 43—47
[18]	Yoshida S.， Hiraga K.， Takehana T.， Taniguchi I.， Yamaji H.， Maeda Y.， Toyohara K.， Miyamoto K.， Kimura Y.， Oda K.， Science， 2016， 351（6278）， 1196—1199
[19]	MacLeod M.， Arp H. P. H.， Tekman M. B.， Jahnke A.， Science， 2021， 373（6550）， 61—65
[20]	Bull S. D.， Davidson M. G.， van den Elsen J. M. H.， John S. F.， Toby A. J.， Jiang Y. B.， Yuji K. F. M.， Kazuo S.， Zhao J. Z.， Tony D. J.， Acc. Chem. Res.， 2013， 46（2）， 312—326
[21]	Meng Z. T.， Zhang T. D.， Zhang C. H.， Shang Y. N.， Lei Q. Q.， Chi Q. G.， Adv. Materials， 2024， 36（52）， 2310272
[22]	Shahat M.， Anis H. I.， IEEE Access， 2022， 10， 54697—54702
[23]	Li S.， Min D.， Wang W.， Chen G.， IEEE Trans. Dielect. Elect. Insul.， 2016， 23（5）， 2777—2785
[24]	Min D.， Cui H.， Wang W.， Wu Q.， Xing Z.， Li S.， Compos. Sc. Techn.， 2019， 184， 107873
[25]	Min D.， Yan C.， Mi R.， Ma C.， Huang Y.， Li S.， Wu Q.， Xing Z.， Polymers， 2018， 10（11）， 1207

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[1]	冯雪阳, 王玉阁, 贺天成, 王珂, 潘立佳, 陈思源, 尹园, 孙洪国, 郑雅芳, 卫来, 孙昭艳. 加工工艺对聚异戊二烯类橡胶炭黑分散性与力学性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(6): 20240045.
[2]	王珂, 王玉阁, 贺天成, 冯雪阳, 潘立佳, 陈思源, 尹园, 孙洪国, 郑雅芳, 卫来, 孙昭艳. 白炭黑/炭黑混合填料补强仿生橡胶的性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(4): 20230512.
[3]	孙冰, 李赛萌, 周康康, 彭忠祥, 叶龙. 有机光伏薄膜的力学性能调控与预测[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230168.
[4]	万鹏程, 陆松, 鲍雨, 崔树勋. 三种典型半芳香族聚酯的单分子力谱[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230126.
[5]	唐梦珂, 江亮, 徐文轩, 张子林, 唐道远, 黄东辉, 杨皓然, 高杰峰, 吉祥, 王延庆, 徐欢. 微波辅助仿生矿化增强石墨烯与聚乳酸的界面相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220601.
[6]	张志博, 尚涵, 徐文轩, 韩广东, 崔金声, 杨皓然, 李瑞鑫, 张生辉, 徐欢. 氧化石墨烯插层聚β-羟基丁酸酯复合材料的结晶形态与宏观性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210566.
[7]	徐欢, 柯律, 唐梦珂, 尚涵, 徐文轩, 张子林, 付亚男, 韩广东, 崔金声, 杨皓然, 高杰峰, 张生辉, 何新建. 液相剪切原位剥离蒙脱土纳米片增强高阻氧聚乳酸[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220316.
[8]	王献伟, 柯红军, 袁航, 鲁戈舞, 李丽英, 孟祥胜, 宋书林, 王震. 耐高温可溶性聚酰亚胺树脂及其复合材料[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2041.
[9]	丁嘉乐, 金兰, 崔增多, 张海博, 张云鹤, 姜振华. 具有双交联网络结构的纳米复合材料的制备及介电性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2015.
[10]	王鹏, 毛丹, 万家炜, 祁琪, 杜江, 王丹. 中空多壳层TiO₂填充对环氧树脂复合材料力学性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3218.
[11]	张启龙, 姚丽琴, 朱志才, 张钊, 杨辉. Au@PS纳米颗粒掺杂PDMS/(PVDF-TrFE)复合薄膜的制备及介电-疏水性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1269.
[12]	沙迪, 禹旭敏, 赵将, 马小飞, 王汉夫, 刘芳芳, 邱雪鹏. 碳纤维三向织物/环氧树脂复合材料的制备与力学性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 838.
[13]	隋佳烊, 刘晓旸, 钱苗苗, 朱燕超, 薛北辰, 丰祎, 田玉美, 王晓峰. 稻壳基二氧化硅/碳复合材料的表面改性及对天然橡胶的影响[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1561.
[14]	王美琳, 刘玉东, 刘晓丽, 李志英, 刘凤岐. ABS/PET/PETG合金非等温结晶动力学[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(6): 1290.
[15]	高飞龙, 李永存, 栾云博, 薛志成, 郭章新, 张祺, 吴桂英. 不同石墨烯-碳纳米管杂化体系对热塑性聚氨酯复合材料力学和自修复性能的增强机制[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 832.