一種碳/矽核殼結構-聚合物高介電複合材料的製作方法
2023-07-08 11:28:41
專利名稱：一種碳/矽核殼結構-聚合物高介電複合材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於複合材料技術領域，涉及一種含有碳/娃核殼結構材料的聚合物基複合介電材料。
背景技術：
近年來，聚合物材料由於來源廣泛、成本低廉、性能優異、無汙染的特點使其在介電材料領域有著廣泛的應用，而越來越受到人們的重視。與傳統陶瓷介電材料相比，聚合物材料克服了加工工藝複雜、成本高、力學性能差、汙染嚴重的問題，但是有機聚合物材料本身的介電常數比較低，這就限制了其在介電領域的應用。為了獲得更高的介電常數材料，人們嘗試在聚合物中加入高介電陶瓷粉末，但是當陶瓷添加量達到一個很大的值時，複合材料的韌性會降低。當前，人們發現在聚合物基體中加入微量納米導電材料時，其介電性能得 到了極大地改善，同時又保留了聚合物材料優良的韌性。在納米導電材料中，由於納米碳材料(碳納米管、碳納米線、納米碳纖維、納米碳球、石墨烯等)具有性能優異、成本低廉等優點而受到人們的廣泛關注。當前，一個制約製備高介電性能納米碳-聚合物複合材料的關鍵問題就是納米碳材料在聚合物材料中的團聚現象。為此，人們嘗試採用化學氣象沉積(CVD)方法在碳化矽表面生長出排列規整、分布均勻的碳納米管，然後與聚合物混合後製備出介電性能優秀的碳納米管均勻分布的聚合物基介電材料(Appl. Phys. Lett. 98, 032901, 2011)。此外,人們發現化學修飾的碳納米管可以均勻分散在聚合物材料中，從而，有效阻止了聚合物材料中碳納米管導電網絡的形成和漏電流的增大，進而使得碳納米管-聚合物複合材料的介電性能得到了極大地提高(J. Phys.Chem. C113, 17626-17629，2009)。近年來，人們利用氧化石墨烯良好的溶劑分散性製備了氧化石墨烯分散均勻的複合材料，再通過熱還原的方法還原得到了介電性能優異的石墨烯-聚合物複合材料(Nano Lett. 12,84,2012)。總之，提高納米碳材料在聚合物材料中的含量和分散性，防止其形成導電網絡是製備高介電性能納米碳-聚合物複合材料的關鍵。因此，我們選取了具有二維六方結構且內部孔道排列均一的SBA-15矽分子篩，將碳採用一定的方法填入分子篩孔道中得到碳/矽核殼結構材料，再將其作為填料與聚偏氟乙烯(PVDF)混合製得聚合物基複合材料，使碳均勻地分散在聚合物材料中，該材料擁有優異的介電性能。此外，該方法簡單易行，成本低廉，無汙染，適合批量生產，是一種有前景的製作聚合物基介電複合材料的方法。
發明內容
本發明的目的是通過將碳/矽核殼結構材料分散在聚合物中，製備出具有高介電性能的複合材料。下面以具體實例來說明本發明目的的實現過程，首先我們採用二次浸潰法，在硫酸的催化下，將蔗糖溶液填入SBA-15的孔道內，然後，將其乾燥後放入管式爐中進行高溫炭化，得到以矽分子篩為外殼，內部填碳的核殼型結構材料。該核殼結構材料通過矽的阻隔，提高了碳材料在聚合物中的分散性，有效避免了碳材料之間的大量團聚，阻止了導電網絡的形成，從而明顯提高了聚合物基複合材料的滲流閾值，進而得到了高介電常數的複合材料。利用碳/矽核殼結構材料與PVDF製備高性能介電複合材料的具體步驟如下(I)將O. 141克濃硫酸、1. 25克蔗糖溶於5毫升水，向該溶液中加入1.00克SBA-15，超聲分散浸潰30分鐘。(2)將所得的糊狀混合物在70°C下乾燥I小時，再分別在100°C和160°C炭化6小時。(3)將所得的深棕色固體研磨成細粉，重複上述浸潰和低溫炭化過程，第二次浸潰所用浸潰溶液的質量為第一次的66% (保持蔗糖，硫酸和水的質量比與首次浸潰時相同)。
(4)將所得混合物置入管式爐中，在氮氣保護下，以每分鐘5°C的速率升溫至900°C炭化3小時。(5)降溫後，用去離子水洗滌，乾燥得到碳/矽核殼結構材料。(6)稱取一定量的經過(1)_(5)步驟製得的碳/矽核殼結構材料，加入一定量乙醇後，超聲分散3小時，之後稱取一定量的PVDF粉末，將PVDF粉末分次加入到碳/矽核殼結構材料和乙醇混合液中，之後繼續超聲分散2小時，得到混合均勻的懸濁液。將懸濁液倒入表面皿中，80°C下乾燥4小時，將乾燥後的物質在瑪瑙研缽中研磨得到細微的粉末。(7)取一定量(6)步驟得到的細微粉末，使用粉末壓片機將其壓為薄片，然後將薄片置於200°C下保溫3小時，得到碳/矽核殼結構-PVDF複合材料。將薄片表面拋光，表面塗覆導電銀膠，烘乾後即可進行電學性質的測量。由上述過程即可獲得碳/矽核殼結構與PVDF複合而成的介電複合材料，此材料擁有更高的介電常數和低的介電損耗，相對介電常數可達到2030，此時介電損耗為2. 02(IkHzX本發明所提供的製備聚合物基高介電複合材料的方法是通過將碳/矽核殼結構材料分散在聚合物中製備出高介電複合材料。與現有一些化學修飾方法相比，在相同介電常數下，擁有更小的介電損耗。該方法成本低廉，簡單易行，無汙染，在納米碳-聚合物複合介電材料領域具有極大的應用價值。
圖1為碳/矽核殼結構材料(圖1a)與其在PVDF中高度分散(圖1b)的示意圖。圖2為不同比例的碳/矽核殼結構材料與PVDF複合而成的複合材料介電常數隨頻率變化(圖2a)和在IkHz下介電損耗隨碳/矽核殼結構材料質量分數變化(圖2b)的關係曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例來詳細描述本發明。實施例1，將O. 141克濃硫酸、1. 25克蔗糖溶於5毫升水，向該溶液中加入1. 00克SBA-15，超聲分散浸潰30分鐘。將所得的糊狀混合物在70°C下乾燥I小時，再分別在100°C和160°C炭化6小時。將所得的深棕色固體研磨成細粉，重複上述浸潰和低溫炭化過程，第二次浸潰所用浸潰溶液的質量為第一次的66%(保持蔗糖，硫酸和水的質量比與首次浸潰時相同)。將所得混合物置入管式爐中，在氮氣保護下，以每分鐘5°C的速率升溫至900°C炭化3小時。降溫後，用去離子水洗滌，乾燥得到碳/矽核殼結構材料，如圖1a所示。稱取一定量的碳/娃核殼結構材料，加入適量乙醇後，超聲分散3小時,之後稱取一定量的PVDF粉末，將PVDF粉末分次加入到碳矽複合材料和乙醇混合液中，之後繼續超聲分散2小時，得到混合均勻的懸濁液。將懸濁液倒入表面皿中，80°C下乾燥4小時，將乾燥後的物質在瑪瑙研缽中研磨，得到細微的粉末。取一定量的上述細微粉末，使用粉末壓片機將其壓為薄片，然後將薄片置於200°C下保溫3小時，得到碳/矽核殼結構-PVDF複合材料，如圖1b所示。將薄片表面拋光，表面塗覆導電銀膠，烘乾後即可進行電學性質的測量。按照不同的配比要求，重複上述操作，制 得一系列不同填充量的複合材料。得到複合材料的介電常數隨碳/矽核殼結構材料填充量變化的規律，如圖2a所示。碳/娃核殼結構材料的填充量在19wt%附近時，出現導體-絕緣體轉變特性，此時介電常數達到2030，介電損耗為2. 02。
權利要求
1.一種含碳/矽核殼結構填料的聚合物基高介電複合材料，其特徵是所述複合材料由碳/矽核殼結構材料和聚合物複合而成。
2.提供了一種含核殼結構填料的聚合物基高介電複合材料的製備方法。其步驟是 取一定量的碳/娃核殼結構材料，加入到20毫升乙醇溶劑中,超聲分散3小時,摻入一定質量的高聚物粉末繼續超聲分散2小時，將得到的懸濁液80°C乾燥、研磨後，得到細微的粉末，使用粉末壓片機將其壓為薄片。然後將薄片置於200°C下保溫3小時，得到碳/矽核殼結構材料填充的聚合物基複合材料。
3.權利要求1和2所述的核殼結構材料包括所有以碳材料為核的核殼結構材料。聚合物材料是包括PVDF在內的所有介電聚合物材料。
全文摘要
本發明提供了一種介電性能優異的碳/矽核殼結構-聚合物複合材料的製備方法。我們通過一定的方法將碳填入矽分子篩中，得到碳/矽核殼結構材料，再將其分散在聚合物中製備了介電性能優異的複合材料。該複合材料的介電常數可達到2030，此時介電損耗為2.02。該方法工藝簡單，成本低廉，無汙染，是一種有前景的製作聚合物基介電複合材料的方法。
文檔編號C08K3/04GK103013004SQ20131001812
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者薛慶忠, 雷拓, 韓治德, 褚良永, 孫晉, 張忠陽, 夏富軍 申請人:中國石油大學(華東)