表面修饰非晶碳/碳纳米管‑聚偏氟乙烯高介电复合材料制造技术

本发明专利技术提供了一种表面修饰非晶碳/碳纳米管‑聚偏氟乙烯高介电复合材料及其制备方法。我们将碳纳米管与葡萄糖粉末在溶液中混合，通过水热处理、离心清洗和低温固化，得到了碳纳米管/非晶碳核壳结构材料；再将其分散在浓硝酸和浓硫酸的混酸中(体积比为1:3)发生氧化反应，在非晶碳的表面修饰含氧官能团，得到了表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构材料；最后将上述核壳结构材料与聚偏氟乙烯混合得到高介电复合材料。在室温和1千赫兹下，该复合材料的介电常数可达43800，而损耗仅为1.8。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料
，特别涉及一种表面修饰非晶碳/碳纳米管-聚偏氟乙烯高介电复合材料的制备方法。
技术介绍
随着嵌入式封装技术的发展，薄膜电介质材料成为新的研究热点，在电容器、驱动器和场效应晶体管等诸多领域都具有十分重要的应用价值。优异的薄膜电介质材料不仅应具有高的介电常数和低的介电损耗，同时也必须具有良好的机械性能和可加工性能。以陶瓷为代表的传统电介质材料密度高、脆性大、可加工性差，无法满足薄膜化的要求。近几年来，聚合物材料，如聚丙烯、聚乙烯和聚酯等，因其优异的机械性能和可加工性能而成为目前市场上广泛应用的薄膜电介质材料。然而，聚合物的介电常数通常较低(一般小于10)，导致以其为电介质材料制备的电容器在储能密度方面(约为1～3J/cm3)远远低于传统的电容器(约为100J/cm3)。幸运的是，人们发现通过向聚合物基体中填充少量的碳纳米管制备碳纳米管-聚合物复合材料，可以获得介电常数高达几百的薄膜电介质材料。然而，碳纳米管-聚合物复合材料高的介电常数通常伴随着高的介电损耗，大大降低了其实际应用价值。研究表明：碳纳米管-聚合物复合材料高的介电损耗主要来源于碳纳米管的直接接触以及其与聚合物基体较差的相容性。因此，寻找一种有效的方法在减少碳纳米管直接接触的同时，提高其与聚合物基体的相容性，是降低该类型复合材料介电损耗的最佳途径。核壳结构，即在碳纳米管的表面引入一层绝缘层，是近年来被广泛研究的一种新型结构。绝缘层的引入可以完全阻止碳纳米管在聚合物基体中的直接接触，减少漏电流的产生，进而降低复合材料的介电损耗。目前，绝缘层的种类主要包括氧化物和聚合物两种类型。例如，Wu等人将二氧化钛纳米棒引入碳纳米管的表面制备了碳纳米管/二氧化钛核壳结构，并将其填充进聚苯乙烯基体中，得到了介电常数为37，介电损耗仅为0.11的复合材料(Compos.Sci.Technol.,2012,72,521-527)。Chen等人制备了聚甲基丙烯酸甲酯包裹碳纳米管的核壳结构，以其为填料制备的聚甲基丙烯酸甲酯基复合材料的介电常数可达63，介电损耗仅为0.26(Carbon,2015,95,895-903)。然而，氧化物绝缘层的引入无法改善碳纳米管与聚合物基体的相容性，限制了复合材料介电性能的大幅提高；聚合物绝缘层的引入通常需要大量有毒且昂贵的化学试剂，制备成本较高。我们采用水热反应和氧化反应制备了一种表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构，并将其与聚偏氟乙烯基体混合制备了高介电常数、低介电损耗的复合材料。氧化非晶碳的引入不仅可以完全阻止碳纳米管的直接接触，并且极大地提升了碳纳米管与聚合物基体的相容性。该方法制备简单，原料成本低，可重复性好，无污染，具有很好的应用价值和前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是：通过水热反应和氧化反应制备一种表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构，并将其与聚偏氟乙烯混合，制备一种具有高介电常数和低介电损耗的复合材料。下面以直径40-60纳米，长度5-15微米的碳纳米管为例简要阐述本专利技术的实现过程。首先将碳纳米管与葡萄糖粉末在溶液中混合，通过水热处理、离心清洗和低温固化，得到了碳纳米管@非晶碳核壳结构材料；再将其分散在浓硝酸和浓硫酸的混酸中(体积比为1:3)发生氧化反应，在非晶碳的表面修饰含氧官能团，得到了表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构材料；最后将上述核壳结构材料与聚偏氟乙烯混合得到高介电复合材料。该种表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构/聚偏氟乙烯高介电复合材料可通过以下步骤实现：(1)称取一定量的碳纳米管，分散在定量的去离子水中，再加入2滴曲拉通，超声分散2小时，得到均匀的碳纳米管分散液。称取一定量的葡萄糖粉末，加入到上述碳纳米管分散液中，继续超声分散2小时，使碳纳米管与葡萄糖混合均匀。(2)将(1)步骤得到的混合溶液倒入100毫升的以聚四氟乙烯为衬底的不锈钢反应釜中，然后将反应釜放置到均相反应器中，在180摄氏度高温和3转/分钟转速下反应12小时。反应结束后，自然冷却至室温。将反应后的产物通过12000转/分钟的高速离心进行清洗，单次离心时间为15分钟，并用去离子水和乙醇各洗三次。取出离心后的沉淀物，放置在50摄氏度的干燥箱中烘干。将所得的粉末，放置在管式炉中，在氮气保护下，300摄氏度低温固化2小时，得到碳纳米管/非晶碳核壳结构材料。(3)称取一定量碳纳米管/非晶碳核壳结构材料分散在40毫升浓硝酸和浓硫酸的混酸中(体积比为1:3)，在磁力搅拌条件下，70摄氏度回流反应半小时。将反应后的产物通过12000转/分钟的高速离心进行清洗，单次离心时间为15分钟，并用去离子水洗涤至中性。取出离心后的沉淀物，放置在50摄氏度的干燥箱中烘干，得到表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构材料。(4)称取一定量表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构材料，加入到一定量乙醇中，超声分散3小时，然后称取一定量的聚偏氟乙烯粉末加入到上述混合液中，继续超声分散2小时，得到混合均匀的悬浊液。将悬浊液倒入表面皿中，70摄氏度下干燥4小时，将干燥后的产物在玛瑙研钵中研磨得到细微的粉末。(5)将(4)步骤得到的细微粉末，在粉末压片机中用20兆帕的压力将其压成厚度约1毫米的薄片，然后置于200摄氏度下保温3小时，得到表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构/聚偏氟乙烯高介电复合材料。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，即可进行电学性质的测量。由上述过程即可获得表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构/聚偏氟乙烯高介电复合材料，在室温和1千赫兹下，该复合材料的介电常数可达43800，而损耗仅为1.8。我们所制备的表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构/聚偏氟乙烯高介电复合材料的介电性能优于目前已知的大多数碳纳米管/聚合物介电复合材料。本专利技术所提供的制备表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构的新方法，不仅可以完全阻止碳纳米管的直接接触，并且极大地提高了碳纳米管与聚偏氟乙烯基体的相容性，得到了高介电常数、低介电损耗的的复合材料。该方法制备简单，原料成本低，可重复性好，具有很好的应用价值和前景。附图说明图1为本专利技术制备的表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构/聚偏氟乙烯高介电复合材料的示意图。图2为1千赫兹和室温下，表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构/聚偏氟乙烯高介电复合材料的介电常数和介电损耗随填料质量分数的变化示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例来详细描述本专利技术。实施例1，称取60毫克直径40-60纳米，长度5-15微米的碳纳米管加入到60毫升去离子水溶液中，为了提高分散性，滴加2滴曲拉通，超声分散2小时，得到均匀混合的碳纳米管分散液。称取1.5克葡萄糖粉末加入到上述分散液中，继续超声2小时，使碳纳米管与葡萄糖混合均匀。随后，将混合溶液倒入100毫升的以聚四氟乙烯为衬底的不锈钢反应釜中，再将反应釜放置在均相反应器中，在180摄氏度高温和3转/分钟的转速下反应12小时。反应结束后，自然冷却至室温。为了除去残留物，用高速离心的方法进行清洗，转速为12000转/分钟，保持15分钟，并用去离子水和乙醇各洗三次。取出离心后的沉淀物，放置在50摄氏度的干燥箱中烘干，得到粉末状产物。最后将粉末状产物放置在管式炉中，在氮气保护下，300摄氏度低温固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面修饰非晶碳/碳纳米管‑聚偏氟乙烯高介电复合材料，其特征是：所述复合材料由表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构材料与聚偏氟乙烯复合而成，其介电常数高达43800，而介电损耗仅为1.8。

【技术特征摘要】
1.一种表面修饰非晶碳/碳纳米管-聚偏氟乙烯高介电复合材料，其特征是：所述复合材料由表面修饰非晶碳/碳纳米管核壳结构材料与聚偏氟乙烯复合而成，其介电常数高达43800，而介电损耗仅为1.8。2.提供了一种表面修饰非晶碳/碳纳米管-聚偏氟乙烯高介电复合材料的制备方法，其步骤包括：(1)称取60毫克的碳纳米管，分散在定量的去离子水中，再加入2滴曲拉通，超声分散2小时，得到均匀的碳纳米管分散液。称取一定量的葡萄糖粉末，加入到上述碳纳米管分散液中，继续超声分散2小时，使碳纳米管与葡萄糖混合均匀。(2)将(1)步骤得到的混合溶液倒入100毫升的以聚四氟乙烯为衬底的不锈钢反应釜中，然后将反应釜放置到均相反应器中，在180℃高温和3转/分钟转速下反应12小时。反应结束后，自然冷却至室温。将反应后的产物通过12000转/分钟的高速离心进行清洗，单次离心时间为15分钟，并用去离子水和乙醇各洗三次。取出离心后的沉淀物，放置在50℃的干燥箱中烘干。将所得的粉末，放置在管式炉中，在氮气保护下，300℃低温...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭启凯，薛庆忠，陶保收，张建强，潘兴龙，鲁文博，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37