一种复合纤维及聚合物基柔性复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合纤维及聚合物基柔性复合薄膜及其制备方法。所述复合纤维及聚合物基柔性复合薄膜包括复合纤维和聚合物基体，所述复合纤维的体积百分含量为1%～30%；所述复合纤维由氧化物纤维和嵌入于氧化物纤维中的陶瓷颗粒和/或金属颗粒组成；所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺中至少一种。本发明专利技术将复合纤维与聚合物基体在进行复合，由于在复合纤维内部引入的额外极化，可以在较低的添加量的情况下使聚合物基复合薄膜得到较高的介电常数，从而在满足复合材料介电性能要求的同时最大限度的维持了聚合物薄膜原有的机械柔性等相关性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。所述复合纤维及聚合物基柔性复合薄膜包括复合纤维和聚合物基体，所述复合纤维的体积百分含量为1%～30%；所述复合纤维由氧化物纤维和嵌入于氧化物纤维中的陶瓷颗粒和/或金属颗粒组成；所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺中至少一种。本专利技术将复合纤维与聚合物基体在进行复合，由于在复合纤维内部引入的额外极化，可以在较低的添加量的情况下使聚合物基复合薄膜得到较高的介电常数，从而在满足复合材料介电性能要求的同时最大限度的维持了聚合物薄膜原有的机械柔性等相关性能。【专利说明】
本专利技术涉及，属于电子复合材料制备
。
技术介绍
作为重要的基础电子元件，电容器占据了电子元件市场的40%以上份额，2011年全球的电子元件产值超过了 150亿美元，在电介质材料领域，随着近年来电子设备发展的日新月异，广泛使用的电容器向高储能、小型化以及有利于环保的方向发展。传统的高介电常数电介质材料是无机陶瓷材料，尽管陶瓷电介质材料具有非常优异的介电性能，但是其在制备过程需要高温烧结，无法应用在有机基板或印刷电路板(PCB)上，存在着脆性大、加工温度较高、损耗大等弊端，面对产品的小型化、轻型化发展趋势，单独的无机陶瓷高电容介电材料已经很难满足要求。聚合物材料由于易于加工、柔性好、重量轻、与有机基材和印刷电路板相容性好、可以制成大面积的膜等优点，被广泛应用在电介质材料中。具有轻质、易加工、低成本和良好机械性能等优点的高介电常数聚合物基复合材料正受到世界广泛地关注。它们在电气工程领域，既可用作高储能密度电容器的介质材料，也可用作高压电缆均化电场的应力锥材料。特别是其柔韧性以及和有机电路板的相容性的特点，聚合物基复合薄膜在嵌入式封装技术以及对应嵌入式电路板方面良好的应用。而除开作为电子元件在嵌入式封装方面的应用，近年来，随着国家智能电网的发展和新能源领域的推动，对高功率、大容量的电容器的需求也在不断增加，在新能源发电、电力传输等新能源领域都有大量的需求，而聚合物基复合薄膜由于其较高的击穿场强，能够在高压环境中使用的特点也成为高功率元件的重要使用材料。而针对于聚合物本身，其具有良好的机械柔性以及高的击穿场强，但是本身的介电常数过低(一般为2~3)，对元件本身的微型化以及储能密度的提高都有限制，向聚合物基体中添加高介电陶瓷纳米粒子或者导电组分可以是介电常数得到有效提升，但是由于无机组分的大量引入，又会损伤聚合物的机械性能以及击穿场强，因此如何在不改变聚合物本身原来的柔性与击穿性能的前提下尽量提高其介电常数成为聚合物基复合材料的研究重点与热点。`目前在聚合物基复合材料研究工作方面已有大量进展，Liang等人将BaTiO3颗粒同双酚进行复合，发现在1ΜΗζ、298Κ的条件下，随着BaTiO3的含量增加，复合材料的介电常数增加，BaTiO3的含量达到60%时，复合材料的介电常数达到15。xie等人BaTiO3将同聚酰亚胺进行复合，在ΙΟΚΗζ、室温下条件下，当BaTiO3含量达到50%时，得到复合材料的介电常数为35。Song Yu等人将BaTiO3的纳米纤维同聚偏氟乙烯进行复合可以在无机添加的体积分数在12%达到30%。除开上述采用高介电陶瓷与聚合物复合之外，党智敏等人采用碳纤维、金属Ni颗粒等导电组分与聚偏氟乙烯(PVDF)基体进行复合，利用导电颗粒在绝缘基体内的渗流效应显著地提高了复合材料的介电常数。从目前的一些研究来看，对于陶瓷颗粒同聚合物复合可以提高聚合物的介电常数，但是需要较高的无机添加量才能得到明显提升的介电常数(一般体积分数大于50%)，这样导致聚合物的机械柔性大大降低，由于无机组分加入过多引起的缺陷也会是击穿场强大大降低。而对于添加导电组分而言，可以在较小的添加量下得到较高的介电常数，但是导电组分会产生过高的介电损耗，并且一旦导电组分含量超过渗流阈值，将会使复合材料由绝缘体变为导体。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，本专利技术通过向聚合物基体中添加复合纤维来实现在较低的无机添加量下获得具有较高介电常数的聚合物基复合材料，从而使聚合物本身的相关性能不受到陶瓷粒子的添加而产生的影响。本专利技术所提供的一种复合纤维及聚合物基柔性复合薄膜，其包括复合纤维和聚合物基体，所述复合纤维的体积百分含量为1%~30% ；所述复合纤维由氧化物纤维和嵌入于氧化物纤维中的陶瓷颗粒和/或金属颗粒组成；所述聚合物基体可为聚偏氟乙烯(PVDF)、环氧树脂(Epoxy，EP)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P (VDF_TRFE))、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚酰亚胺(PI)中至少一种。所述的柔性复合薄膜中，所述氧化物纤维可为二氧化钛纤维、氧化硅纤维或氧化铝纤维；所述陶瓷颗粒可为BaTiO3或BaxSivxTiO3，其中，x可为0.1~0.8之间的数；所述金属颗粒可为Al颗粒或Ag颗粒。所述的柔性复合薄膜中，所述复合纤维中，所述陶瓷颗粒和/或所述金属颗粒的体积百分含量可为1%~70%，具体可为33.3%~50%、33.3%或50% ；所述陶瓷颗粒和/或所述金属颗粒的粒径可为1Onm~1OOnm,如50nm。所述的柔性复合薄膜中，所述复合纤维的直径可为1OOnm~1 μ m，如400nm~500nm、400nm或500nm,所述复合纤维的长度可为1 μ m~1mm,如100 μ m ；所述柔性复合薄膜的厚度可为1μ m~100 μ m,如16 μ m。所述的柔性复合薄膜中，所述复合纤维的表面还包覆有多巴胺膜层；所述多巴胺膜层的厚度可为1~1Onm,如3nm。所述的柔性复合薄膜中，所述复合纤维的体积百分含量具体可为1.3%~11.4%、1.3%、3%、4.1%、7.4% 或 11.4%。本专利技术还提供了所述柔性复合薄膜的制备方法，包括如下步骤:(1)将钛酸四丁酯、硅酸四乙酯或铝酸三异丙酯溶于有机溶剂I中得到溶胶；将所述陶瓷颗粒和/或所述金属颗粒加入至所述溶胶中，得到纺丝前驱体溶胶；(2)将所述纺丝前驱体溶胶进行静电纺丝，得到复合纤维的前驱体；(3)将所述复合纤维的前驱体在450~550°C的条件下进行煅烧，得到所述复合纤维；(4)将所述复合纤维分散于有机溶剂II中得到悬浮液，向所述悬浮液中加入所述聚合物基体得到混合液；所述混合液经流延法制膜，即得到所述柔性复合薄膜。所述的制备方法中，所述有机溶剂I可为乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇单甲醚、正戊烷和二甲苯中至少一种；所述有机溶剂II可为N，N-二甲基甲酰胺、正戊烷、乙二醇单甲醚和二甲苯中至少一种。所述的制备方法中，步骤(1)中，所述方法还包括向所述纺丝前驱体溶胶中加入聚乙烯吡咯烷酮的步骤，所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为0.02~0.08g/ml所述纺丝前驱体溶胶，如所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为0.04g/ml所述纺丝前驱体溶胶。所述的制备方法中，步骤(2)中，所述静电纺丝可在0.5-2kV/cm的电场下进行，如在1.3kV/cm的电场下进行。所述的制备方法中，步骤(3)中，所述煅烧的时间可为I小时~3小时，如2小时；所述煅烧的温度具体可为450°C或500°C。所述的制备方法中，步骤(4)之后，所述方法还包括在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合纤维及聚合物基柔性复合薄膜，其特征在于：所述柔性复合薄膜包括复合纤维和聚合物基体，所述复合纤维的体积百分含量为1%～30%；所述复合纤维由氧化物纤维和嵌入于氧化物纤维中的陶瓷颗粒和/或金属颗粒组成；所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟乙烯?三氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺中至少一种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洋，张鑫，南策文，林元华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：