CN102174236A - 一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，涉及聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法。解决现有聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数不高的技术问题。方法：将纯化的多壁碳纳米管加入含Fe2+和Fe3+的溶液制备得Fe3O4负载的多壁碳纳米管，然后将其分散至二甲基甲酰胺得悬浮液，再将悬浮液与聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液混合的混合液浇铸至玻璃基片上，干燥得薄膜，再将薄膜置于模具，热压成片即可。本发明选用负载Fe3O4的多壁碳纳米管，以PVDF为基体，并用熔融压片方法制备得Fe3O4/MWNTs/PVDF三相复合材料，其介电常数高达4800～35000。

Description

一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法。
背景技术
随着信息化社会的不断进步和人们需求的日益增长，推动着电子元件向小型化、高储能、高精度、高稳定和多功能等方向发展，使得在电子元件中广泛使用的电容器向高储能、小型化的方向迈进。
高介电复合材料在电子与电力工程技术方面的应用非常广泛。尽管传统的陶瓷电介质材料具有非常优异的介电性能，但是陶瓷电容器在制造过程中需要高温煅烧，耗能大，工艺复杂，而且这种介质材料的柔韧性差，在使用过程中易开裂，影响其使用。因此，开发具有高介电性能，同时又具有可加工性能的介电材料，特别是聚合物基复合材料，成为近些年研究的热点。
目前，关于高介电聚合物基复合材料的报道较多。提高聚合物基复合材料的方法之一，就是将陶瓷与聚合物进行复合。台湾东华大学Kuo等人将钛酸钡(BaTiO3)加入到环氧树脂中，复合材料的介电性能达到50左右。党智敏等人将20vol％的BaTiO3与聚偏氟乙烯(PVDF)复合形成复合基体，进而利用Ni颗粒的渗流使得复合材料的介电常数达到800以上。但是该复合材料的添加组分的质量分数较大，使得加工性能也会下降，在经受机械撞击或者剧烈的温度变化时可能产生裂纹，限制了其在实际中的应用。
目前，提高聚合物基复合材料介电性能的方法，就是在聚合物基体中添加适量导电填料，导电填料主要有碳纳米管、炭黑、石墨、金属粉末或纤维等，从而提高复合材料的介电性能。与陶瓷填充的复合材料相比，只要加入少量导电粒子就可以迅速增加其介电常数，特别是利用逾渗效应提高材料的介电常数时。渗流理论描述的是在复合体系中，添加组分的含量在渗流阈值附近时，复合体系的介电常数发生非线性突变，增加几(十)倍、甚至几个量级。但是现有的聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数提高仍非常有限，需要进一步提高其介电性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数不高的技术问题，本发明提供了一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法。
本发明的高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法是通过以下步骤实现的：
一、Fe3O4/多壁碳纳米管的制备：将纯化的多壁碳纳米管加入含Fe2+和Fe3+的溶液中，搅拌均匀得混合液，然后在搅拌状态下向混合液中滴加NaOH溶液，调节pH值至9～14后继续搅拌1～3h，然后静置晶化20～50min，再洗涤，然后在40～60℃下真空干燥24～48h，得Fe3O4负载的多壁碳纳米管，即Fe3O4/多壁碳纳米管，其中，含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔比为1∶1～1.5，多壁碳纳米管质量与含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔量的比例为1g∶62mol；
二、将步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管加入二甲基甲酰胺中，超声分散30～60min得悬浮液，然后将悬浮液与聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液混合，超声分散1～2h得混合溶液，其中，控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.0％～3.0％；
三、将步骤二得的混合溶液浇铸至玻璃基片上，然后将玻璃基片置于60～120℃的条件下干燥15～24h，然后将薄膜从玻璃基片上剥下，得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料薄膜，再将复合材料薄膜折叠后置于模具中，热压成型得聚偏氟乙烯基复合材料，即得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料，完成高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备。
本发明步骤一中纯化的多壁碳纳米管的纯化方法为：将多壁碳纳米管在500～600℃条件下煅烧后，加入稀硝酸中进行超声分散1～3h；然后在30～50℃条件下搅拌浸泡5～8h；再用布氏漏斗抽滤，蒸馏水洗涤至中性，最后100～130℃下干燥10～15h，即可得到纯化的多壁碳纳米管。
本发明步骤二中聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液的配制方法为：将二甲基甲酰胺升温至50～60℃并保温，然后将聚偏氟乙烯加入二甲基甲酰胺中搅拌溶解，即得聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液。步骤二中聚偏氟乙烯的分子量为40～60万。
本发明步骤三中热压成型是在200～240℃、8～12MPa条件下，热压8～15min完成的。
本发明制备得到的Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量为聚偏氟乙烯基体质量的2.0％～3.0％。
本发明通过选用具有较大长径比的多壁碳纳米管(MWNTs)，并在MWNTs上负载Fe3O4，以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体，最后用熔融压片的方法制备Fe3O4/MWNTs/PVDF三相复合材料。通过在PVDF聚合物基体内分散Fe3O4/MWNTs，实现Fe3O4与MWNTs二者耦合，同时利用渗流效应，使Fe3O4/MWNTs/PVDF三相复合材料的具有高的介电常数，高达4800～35000，具有很好的介电性能。
本发明用四氧化三铁(纳米四氧化三铁(Fe3O4)是一种重要的磁性材料，在磁流体、磁记录材料、吸波材料等方面具有重要的应用)包覆或填充多壁碳纳米管(碳纳米管因其具有独特的结构、电学、力学、储氢等性能，所以在纳米电子器件、超强复合材料、储氢材料、催化剂载体等诸多新领域有着非常广泛的应用前景)，负载四氧化三铁的多壁碳纳米管具有更加优异的光学性能、导电性能、机械性能、吸附性能、吸波性能和电磁屏蔽性能等，再将其分散至聚偏氟乙烯聚合物中，得到力学性能良好、介电常数高(4800～35000)的聚偏氟乙烯基复合材料。
本发明制备得到的聚偏氟乙烯基复合材料(Fe3O4/MWNTs/PVDF三相复合材料)在吸波材料、电磁屏蔽材料等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是具体实施方式十二的步骤一中纯化的多壁碳纳米管的X-射线衍射谱图；图2是具体实施方式十二的步骤一中纯化的多壁碳纳米管的扫描电子显微照片；图3是具体实施方式十二的步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管的X-射线衍射谱图；图4是具体实施方式十二的步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管的扫描电子显微照片；图5是具体实施方式十二制备得到的Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料的扫描电子显微照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式为高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其是通过以下步骤实现的：
一、Fe3O4/多壁碳纳米管的制备：将纯化的多壁碳纳米管加入含Fe2+和Fe3+的溶液中，搅拌均匀得混合液，然后在搅拌状态下向混合液中滴加NaOH溶液，调节pH值至9～14后继续搅拌1～3h，然后静置晶化20～50min，再洗涤，然后在40～60℃下真空干燥24～48h，得Fe3O4负载的多壁碳纳米管，即Fe3O4/多壁碳纳米管，其中，含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔比为1∶1～1.5，多壁碳纳米管质量与含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔量的比例为1g∶62mol；
二、将步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管加入二甲基甲酰胺中，超声分散30～60min得悬浮液，然后将悬浮液与聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液混合，超声分散1～2h得混合溶液，其中，控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.0％～3.0％；
三、将步骤二得的混合溶液浇铸至玻璃基片上，然后将玻璃基片置于60～120℃的条件下干燥15～24h，然后将薄膜从玻璃基片上剥下，得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料薄膜，再将复合材料薄膜折叠后置于模具中，热压成型得聚偏氟乙烯基复合材料，即得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料，完成高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备。
本实施方式步骤一中纯化的多壁碳纳米管采用现有公开方法进行纯化，采用的多壁碳纳米管为市售产品或者采用现有公开方法制备得到。步骤二中聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液中的聚偏氟乙烯的分子量为40～60万。
本实施方式通过选用具有较大长径比的多壁碳纳米管(MWNTs)，并在MWNTs上负载Fe3O4，以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体，最后用熔融压片的方法制备Fe3O4/MWNTs/PVDF三相复合材料。通过在PVDF聚合物基体内分散Fe3O4/MWNTs，实现Fe3O4与MWNTs二者耦合，同时利用渗流效应，使Fe3O4/MWNTs/PVDF三相复合材料的具有高的介电常数，高达4800～35000。
本实施方式中将磁性纳米粒子Fe3O4负载至多壁碳纳米管上，磁性纳米粒子Fe3O4具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧穿等物理效应，所产生的超顺磁性、高磁场不可逆性以及高饱和磁场等新奇的特性使得磁性纳米材料作为一种特殊的功能材料被广泛应用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中纯化的多壁碳纳米管的纯化方法为：将多壁碳纳米管在500～600℃条件下煅烧后，加入稀硝酸中进行超声分散1～3h；然后在30～50℃条件下搅拌浸泡5～8h；再用布氏漏斗抽滤，蒸馏水洗涤至中性，最后100～130℃下干燥10～15h，即可得到纯化的多壁碳纳米管。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式采用的多壁碳纳米管为市售产品或者采用现有公开方法制备得到。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中含Fe2+和Fe3+的溶液中，Fe2+由氯化亚铁、硫酸亚铁和硝酸亚铁中一种或其中几种组合提供，Fe3+由硝酸铁和/或硫酸铁提供。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
本实施方式中当Fe2+是由其中几种物质组合提供时，几种物质间以任意比组合。当Fe3+由硝酸铁和硫酸铁提供时，硝酸铁和硫酸铁间以任意比组合。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤二中的悬浮液中Fe3O4/多壁碳纳米管的含量为0.003～0.005g/mL。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液的配制方法为：将二甲基甲酰胺升温至50～60℃并保温，然后将聚偏氟乙烯加入二甲基甲酰胺中搅拌溶解，即得聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式中使用的聚偏氟乙烯的分子量为40～60万。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液中聚偏氟乙烯质量与二甲基甲酰胺体积的比例为1.5g∶10～15mL。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式的聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液中聚偏氟乙烯的体积分数为5％～8％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.3％～2.8％。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.5％。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中将玻璃基片置于80～100℃的条件下干燥18～22h。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中将玻璃基片置于90℃的条件下干燥20h。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤三中热压成型是在200～240℃、8～12MPa条件下，热压8～15min完成的。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式为高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其是通过以下步骤实现的：
一、Fe3O4/多壁碳纳米管的制备：将纯化的多壁碳纳米管加入含Fe2+和Fe3+的溶液中，搅拌均匀得混合液，然后在搅拌状态下向混合液中滴加NaOH溶液，调节pH值至12后继续搅拌3h，然后静置晶化30min，再洗涤，然后在50℃下真空干燥36h，得Fe3O4负载的多壁碳纳米管，即Fe3O4/多壁碳纳米管，其中，含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔比为1∶1.5，多壁碳纳米管质量与含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔量的比例为1g∶62mol，其中Fe2+由FeCl2·4H2O提供，Fe3+由Fe(NO3)3·9H2O提供；
二、将步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管加入二甲基甲酰胺中，超声分散30～60min得悬浮液，然后将悬浮液与聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液混合，超声分散1～2h得混合溶液，其中，控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.0％；
三、将步骤二得的混合溶液浇铸至玻璃基片上，然后将玻璃基片置于90℃的条件下干燥20h，然后将薄膜从玻璃基片上剥下，得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料薄膜，再将复合材料薄膜折叠后置于模具中，热压成型得聚偏氟乙烯基复合材料，即得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料，完成高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备。
本实施方式步骤一中纯化的多壁碳纳米管的纯化方法为：将多壁碳纳米管在600℃条件下煅烧后，加入20％(质量)稀硝酸中进行超声分散2h；然后在40℃条件下搅拌浸泡6h；再用布氏漏斗抽滤，蒸馏水洗涤至中性，最后120℃下干燥12h，即可得到纯化的多壁碳纳米管。采用的多壁碳纳米管是购买于深圳纳米港有限公司。
本实施方式步骤一中NaOH溶液的浓度为1～3mol/L。
本实施方式步骤二的悬浮液中Fe3O4/多壁碳纳米管的含量为0.004g/mL；
本实施方式步骤二中聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液的配制方法为：将二甲基甲酰胺升温至50～60℃并保温，然后将聚偏氟乙烯加入二甲基甲酰胺中搅拌溶解，即得聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液；其中聚偏氟乙烯质量与二甲基甲酰胺体积的比例为1.5g∶10～15mL。
本实施方式步骤三中热压成型是在240℃、12MPa条件下，热压15min完成的。
本实施方式步骤一中纯化的多壁碳纳米管的X-射线衍射谱图和扫描电子显微照片分别如图1和图2所示，由图1可见，处理后的MWNTs在2θ为26.0°处和2θ为42.4°处出现MWNTs的特征峰，没有其它杂质峰的出现，说明能够将MWNTs中的杂质去除干净；由图2可见，经酸处理后的MWCNTs结合的较松散，缠绕现象有所减轻，并且出现较多的端口，也可有效去除MWCNTs中的杂质。
本实施方式步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管的X-射线衍射谱图和扫描电子显微照片分别如图3和图4所示，由图3可见，在XRD图谱中出现的都是Fe3O4和MWNTs特征吸收峰，没有其它杂质峰的出现，说明得到了较纯的Fe3O4/MWNTs；由图4可见，Fe3O4纳米粒子均匀的负载在MWNTs，同时Fe3O4纳米粒子也未出现团聚现象，说明Fe3O4纳米粒子的负载量适中。
本实施制备得到的Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料的扫描电子显微照片如图5所示，由图5可见，Fe3O4/多壁碳纳米管均匀分布在聚偏氟乙烯基体中，没有团聚现象。
本实施方式对制备得到的Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料进行介电性能测试，测试方法为：采用美国安捷伦4294A精密阻抗分析仪，测出室温条件下、频率在1000Hz时的阻抗，进而求出介电常数。测试得到本实施方式的聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数为4800。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的上步骤二控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.5％。其它步骤及参数与具体实施方式十二相同。
采用具体实施方式十二所述的测试方法测试得到本实施方式的聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数达35000。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十二不同的上步骤二控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的3.0％。其它步骤及参数与具体实施方式十二相同。
采用具体实施方式十二所述的测试方法测试得到本实施方式的聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数达11000。

Claims (10)

1.一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法是通过以下步骤实现的：
一、Fe3O4/多壁碳纳米管的制备：将纯化的多壁碳纳米管加入含Fe2+和Fe3+的溶液中，搅拌均匀得混合液，然后在搅拌状态下向混合液中滴加NaOH溶液，调节pH值至9～14后继续搅拌1～3h，然后静置晶化20～50min，再洗涤，然后在40～60℃下真空干燥24～48h，得Fe3O4负载的多壁碳纳米管，即Fe3O4/多壁碳纳米管，其中，含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔比为1∶1～1.5，多壁碳纳米管质量与含Fe2+和Fe3+的溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔量的比例为1g∶62mol；
二、将步骤一得到的Fe3O4/多壁碳纳米管加入二甲基甲酰胺中，超声分散30～60min得悬浮液，然后将悬浮液与聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液混合，超声分散1～2h得混合溶液，其中，控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.0％～3.0％；
三、将步骤二得的混合溶液浇铸至玻璃基片上，然后将玻璃基片置于60～120℃的条件下干燥15～24h，然后将薄膜从玻璃基片上剥下，得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料薄膜，再将复合材料薄膜折叠后置于模具中，热压成型得聚偏氟乙烯基复合材料，即得Fe3O4/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯三相复合材料，完成高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备。
2.根据权利要求1所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中纯化的多壁碳纳米管的纯化方法为：将多壁碳纳米管在500～600℃条件下煅烧后，加入稀硝酸中进行超声分散1～3h；然后在30～50℃条件下搅拌浸泡5～8h；再用布氏漏斗抽滤，蒸馏水洗涤至中性，最后100～130℃下干燥10～15h，即可得到纯化的多壁碳纳米管。
3.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中含Fe2+和Fe3+的溶液中，Fe2+由氯化亚铁、硫酸亚铁和硝酸亚铁中一种或其中几种组合提供，Fe3+由硝酸铁和/或硫酸铁提供。
4.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中的悬浮液中Fe3O4/多壁碳纳米管的含量为0.003～0.005g/mL。
5.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中聚偏氟乙烯的二甲基甲酰胺溶液中聚偏氟乙烯质量与二甲基甲酰胺体积的比例为1.5g∶10～15mL。
6.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.3％～2.8％。
7.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中控制混合液中Fe3O4/多壁碳纳米管的质量是聚偏氟乙烯质量的2.5％。
8.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中将玻璃基片置于80～100℃的条件下干燥18～22h。
9.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中将玻璃基片置于90℃的条件下干燥20h。
10.根据权利要求1或2所述的一种高介电常数聚偏氟乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中热压成型是在200～240℃、8～12MPa条件下，热压8～15min完成的。
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