包含介电粒子的聚合物基质复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种聚合物基质复合材料，该聚合物基质复合材料包含多孔聚合物网络；以及分布在聚合物网络结构内的多个介电粒子；其中基于介电粒子和聚合物(不包括溶剂)的总重量，所述介电粒子的存在量在5重量％至98重量％的范围内；并且其中所述聚合物基质复合材料具有在1.05至80范围内的介电常数。包含介电粒子的聚合物基质复合材料可用作例如电场绝缘体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含介电粒子的聚合物基质复合材料及其制备方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年11月16日提交的美国临时专利申请62/587045的权益，该临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术介绍
通常，聚合物粘结剂具有相对低的介电常数，但大于空气(通常在大于2至小于4的范围内)。因此，粘结剂中的大量介电制品通常用于获得足够高的介电常数以支撑电容器件中的电场。需要可用于电子装置中的具有高介电常数、低介电损耗但还具有非常低的电传导率的绝缘材料。为电容性装置的电子装置诸如电容器、致动器、人造肌肉和器官、智能材料和结构、微机电(MEMS)装置、微流体装置、声学装置和传感器增加了对各种新的更好的绝缘材料的需要。电子装置领域中还需要更简单、更经济的产生此类装置的制造方法。还期望提供可以通过防止粒子聚集来消除或减少相邻凸块或互连图案之间的短路的介电制品。还期望提供具有优异耐溶剂性的介电制品。
技术实现思路
在一个方面，本公开描述了一种聚合物基质复合材料，该聚合物基质复合材料包含：多孔聚合物网络结构；以及多个介电粒子，所述多个介电粒子分布在聚合物网络结构内，其中基于电介质粒子和聚合物(不包括任何溶剂)的总重量，所述介电粒子的存在量在5重量％至98重量％(在一些实施方案中，10重量％至98重量％、20重量％至98重量％、25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％、80重量％至98重量％、90重量％至98重量％，或甚至95重量％至98重量％)的范围内；并且其中所述聚合物基质复合材料的总体介电常数在1.05至80的范围内(在一些实施方案中，在以下范围内：1.1至80、1.15至80、1.2至80、1.1至75、1.15至75、1.2至75、1.2至70、1.1至70、1.15至70、1.2至65、1.1至65、1.15至65、1.2至60、1.1至60、1.15至60、1.2至55、1.1至55、1.15至55、1.2至50、1.1至50、1.15至50、1.2至45、1.1至45、1.15至45、1.2至40、1.1至40、1.15至40、1.2至35、1.1至35、1.15至35、1.2至30、1.1至30、1.15至30、1.2至25、1.1至25、1.15至25、1.2至20甚至1.1至20、1.15至20、1.2至20)。如本文所用，“介电粒子”是指具有1.05至80的固有相对介电常数的粒子。在另一方面，本公开描述了制备本文所述的聚合物基质复合材料的第一方法，所述方法包括：将热塑性聚合物、溶剂和多个介电粒子(例如混合或共混)以提供浆液；使浆液成形为制品(例如层)；在环境中加热制品，以基于在制品中的溶剂的重量在制品中保留至少90重量％(在一些实施方案中，至少91重量％、92重量％、93重量％、94重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％或甚至至少99.5重量％)的溶剂，并基于热塑性聚合物的总重量溶解至少50％(在一些实施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％，或甚至100％)的热塑性聚合物；以及诱导热塑性聚合物与溶剂相分离，以提供聚合物基质复合材料。在另一方面，本公开描述了制备本文所述的聚合物基质复合材料的第二方法，所述方法包括：将热塑性聚合物、用于热塑性聚合物的溶剂和多个介电粒子组合(例如混合或共混)，以形成可混溶的聚合物-溶剂溶液；诱导所述热塑性聚合物与所述溶剂相分离；以及去除溶剂的至少一部分，以提供聚合物基质复合材料。如本文所用，“可混溶的”是指物质以所有比例混合(即，以任何浓度彼此完全溶解)形成溶液的能力，其中对于某些溶剂-聚合物体系，可需要热使聚合物与溶剂混溶。相反，如果很大一部分没有形成溶液，则物质是不混溶的。例如，丁酮在水中是显著可溶的，但这两种溶剂是不可混溶的，因为它们不能以所有比例溶解。如本文所用，“相分离”是指其中粒子均匀地分散在均相聚合物-溶剂溶液中的过程，所述均相聚合物-溶剂溶液(例如通过温度或溶剂浓度的变化)转变成连续的三维聚合物基质复合物。在第一方法中，在聚合物变得可与溶剂混溶之前形成期望制品，并且相分离是热诱导相分离(TIPS)方法。在第二方法中，聚合物可在形成期望制品之前与溶剂混溶。在第二方法中，通过使用湿法或干法的溶剂诱导相分离(SIPS)或热诱导相分离方法实现相分离。在SIPS湿法中，将溶解聚合物的溶剂与非溶剂交换以诱导相分离。所述体系中的新的交换溶剂成为聚合物的孔形成剂。在SIPS干法中，蒸发溶解聚合物的溶剂以诱导相分离。在干法中，还通过溶解聚合物的溶剂将非溶剂溶解在溶液中。当溶解溶剂蒸发时，聚合物的这种非溶剂变成聚合物的孔形成剂。由于不使用附加的交换液体，因此该方法被视为“干法”。非溶剂通常也是挥发性的，但是沸点比溶剂低至少30℃。在TIPS方法中，使用升高的温度使非溶剂变成聚合物的溶剂，然后降低温度，使溶剂返回到用于聚合物的非溶剂中。有效地，当去除足够的热时，热溶剂变成孔形成剂，并且失去溶剂化能力。用于热相分离方法中的溶剂可以是挥发性或非挥发性的。出乎意料的是，在制备聚合物基质复合材料的第一方法中，相对高的粒子载量允许制备可成型为层的浆液，该浆液在加热溶剂以保持与聚合物可混溶时保持其形式。所用的溶剂通常是挥发性的，并且随后蒸发。在使用TIPS方法制备聚合物基质复合材料的第二方法中，所用溶剂通常是非挥发性的。在通过湿法或干法SIPS方法制备聚合物基质复合材料的第二方法中，溶剂对于湿法通常是非挥发性的，而对于干法是挥发性的。通常，基于粒子和粘结剂的体积，在传统的粒子填充的复合材料(例如致密的聚合物膜和粘合剂)中可以达到的最大粒子载量不大于约40体积％至60体积％。将超过60体积％的粒子掺入到传统的粒子填充的复合材料中通常是不可实现的，因为此类高粒子载量的材料不能通过涂布或挤出方法来加工并且/或者所得复合材料变得非常易碎。传统的复合材料通常还用粘结剂完全包封粒子，从而防止高堆积密度。出乎意料的是，通过本文描述的方法获得的高水平的溶剂和相分离的形态使得能够以相对少量的高分子量粘结剂实现相对高的粒子载量。高粒子载量也有助于最小化可在相分离期间形成的薄无孔聚合物层的形成。此外，本文所述的聚合物基质复合材料是相对柔性的，并且倾向于不脱落粒子。虽然不想受到理论的限制，但是在电绝缘(即，具有至少40兆欧姆的电阻)介电粒子的情况下，据信本文所述的聚合物基质复合材料的实施方案的另一个优点是粒子不完全涂有粘结剂，从而实现了高度的粒子表面接触和复合材料密度，同时在压缩后保持了柔韧性。出乎意料的是，在一些实施方案中，在压缩后，一些包含聚合物基质复合材料的介电粒子可显示介电常数的增加。即使在升高的温度(例如，135℃)下，高分子量粘结剂也不易于在不存在溶剂的情况下流动。在一些实施方案中，本文所述的具有相对高的介电粒子载量的聚合物基质复合材料的优点是它们的介电常数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：/n多孔聚合物网络；以及/n多个介电粒子，所述多个介电粒子分布在所述聚合物网络结构内，/n其中基于所述介电粒子和所述聚合物的总重量，所述介电粒子的存在量在5重量％至98重量％的范围内；并且其中所述聚合物基质复合材料具有在1.05至80范围内的介电常数。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171116 US 62/587,0451.一种聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含：
多孔聚合物网络；以及
多个介电粒子，所述多个介电粒子分布在所述聚合物网络结构内，
其中基于所述介电粒子和所述聚合物的总重量，所述介电粒子的存在量在5重量％至98重量％的范围内；并且其中所述聚合物基质复合材料具有在1.05至80范围内的介电常数。


2.根据权利要求1所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有在0.05g/cm3至6g/cm3范围内的密度。


3.根据权利要求1所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有至少1的密度。


4.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述聚合物基质复合材料具有在5％至90％范围内的孔隙率。


5.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述介电粒子包含钛酸钡、氧化铝、二氧化钛或CaCu3Ti4O12中的至少一种。


6.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述介电粒子包含玻璃泡，每个玻璃泡的第一主表面涂有包含至少一种金属的层和涂布在所述包含至少一种金属的层上的包含至少一种金属氧化物的层。


7.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述介电粒子包含玻璃珠，每个玻璃珠的第一主表面涂有包含至少一种金属的层和涂布在所述包含至少一种金属的层上的包含至少一种金属氧化物的层。


8.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述介电粒子的平均粒度在从10纳米至120微米的范围内。


9.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含以下各项中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段共聚物、氯化聚合物、氟化聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的共聚物。


10.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包括相分离的多个互连形态。


11.根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料，其中所述多孔聚合物网络结构包含数均分子量在5×104g/mol至1×107g/mol范围内的聚合物，并且其中所述聚合物基质复合材料为厚度在50微米至7000微米范围内的层的形式。


12.一种制备根据任一前述权利要求所述的聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性聚合物、溶剂和多个介电粒子组合以提供浆液；
使所述浆液成形为制品；
在环境中加热所述制品，以基于在所述制品中的所述溶剂的重量在所述制品中保留至少9...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴德理·维尔拉哈万，德里克·J·德纳，小克林顿·P·沃勒，巴拉特·R·阿查理雅，萨蒂德尔·K·纳亚尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US