CN103013004A - 一种碳/硅核壳结构-聚合物高介电复合材料 - Google Patents

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雷拓
韩治德
褚良永
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Abstract

本发明提供了一种介电性能优异的碳/硅核壳结构-聚合物复合材料的制备方法。我们通过一定的方法将碳填入硅分子筛中，得到碳/硅核壳结构材料，再将其分散在聚合物中制备了介电性能优异的复合材料。该复合材料的介电常数可达到2030，此时介电损耗为2.02。该方法工艺简单，成本低廉，无污染，是一种有前景的制作聚合物基介电复合材料的方法。

Description

一种碳/硅核壳结构-聚合物高介电复合材料
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种含有碳/硅核壳结构材料的聚合物基复合介电材料。 
背景技术
近年来，聚合物材料由于来源广泛、成本低廉、性能优异、无污染的特点使其在介电材料领域有着广泛的应用，而越来越受到人们的重视。与传统陶瓷介电材料相比，聚合物材料克服了加工工艺复杂、成本高、力学性能差、污染严重的问题，但是有机聚合物材料本身的介电常数比较低，这就限制了其在介电领域的应用。为了获得更高的介电常数材料，人们尝试在聚合物中加入高介电陶瓷粉末，但是当陶瓷添加量达到一个很大的值时，复合材料的韧性会降低。当前，人们发现在聚合物基体中加入微量纳米导电材料时，其介电性能得到了极大地改善，同时又保留了聚合物材料优良的韧性。 
在纳米导电材料中，由于纳米碳材料（碳纳米管、碳纳米线、纳米碳纤维、纳米碳球、石墨烯等）具有性能优异、成本低廉等优点而受到人们的广泛关注。当前，一个制约制备高介电性能纳米碳-聚合物复合材料的关键问题就是纳米碳材料在聚合物材料中的团聚现象。为此，人们尝试采用化学气象沉积（CVD）方法在碳化硅表面生长出排列规整、分布均匀的碳纳米管，然后与聚合物混合后制备出介电性能优秀的碳纳米管均匀分布的聚合物基介电材料（Appl.Phys.Lett.98,032901,2011）。此外，人们发现化学修饰的碳纳米管可以均匀分散在聚合物材料中，从而，有效阻止了聚合物材料中碳纳米管导电网络的形成和漏电流的增大，进而使得碳纳米管-聚合物复合材料的介电性能得到了极大地提高（J.Phys.Chem.C113,17626-17629,2009）。近年来，人们利用氧化石墨烯良好的溶剂分散性制备了氧化石墨烯分散均匀的复合材料，再通过热还原的方法还原得到了介电性能优异的石墨烯-聚合物复合材料（Nano Lett.12,84,2012）。总之，提高纳米碳材料在聚合物材料中的含量和分散性，防止其形成导电网络是制备高介电性能纳米碳-聚合物复合材料的关键。 
因此，我们选取了具有二维六方结构且内部孔道排列均一的SBA-15硅分子筛，将碳采用一定的方法填入分子筛孔道中得到碳/硅核壳结构材料，再将其作为填料与聚偏氟乙烯（PVDF）混合制得聚合物基复合材料，使碳均匀地分散在聚合物材料中，该材料拥有优异的介电性能。此外，该方法简单易行，成本低廉，无污染，适合批量生产，是一种有前景的制作聚合物基介电复合材料的方法。 
发明内容
本发明的目的是通过将碳/硅核壳结构材料分散在聚合物中，制备出具有高介电性能的复合材料。 
下面以具体实例来说明本发明目的的实现过程，首先我们采用二次浸渍法，在硫酸的催化下，将蔗糖溶液填入SBA-15的孔道内，然后，将其干燥后放入管式炉中进行高温炭化，得到以硅分子筛为外壳，内部填碳的核壳型结构材料。该核壳结构材料通过硅的阻隔，提高了碳材料在聚合物中的分散性，有效避免了碳材料之间的大量团聚，阻止了导电网络的形成，从而明显提高了聚合物基复合材料的渗流阈值，进而得到了高介电常数的复合材料。 
利用碳/硅核壳结构材料与PVDF制备高性能介电复合材料的具体步骤如下： 
（1）将0.141克浓硫酸、1.25克蔗糖溶于5毫升水，向该溶液中加入1.00克SBA-15，超声分散浸渍30分钟。 
（2）将所得的糊状混合物在70℃下干燥1小时，再分别在100℃和160℃炭化6小时。 
（3）将所得的深棕色固体研磨成细粉，重复上述浸渍和低温炭化过程，第二次浸渍所用浸渍溶液的质量为第一次的66%（保持蔗糖，硫酸和水的质量比与首次浸渍时相同）。 
（4）将所得混合物置入管式炉中，在氮气保护下，以每分钟5℃的速率升温至900℃炭化3小时。 
（5）降温后，用去离子水洗涤，干燥得到碳/硅核壳结构材料。 
（6）称取一定量的经过(1)-(5)步骤制得的碳/硅核壳结构材料，加入一定量乙醇后，超声分散3小时，之后称取一定量的PVDF粉末，将PVDF粉末分次加入到碳/硅核壳结构材料和乙醇混合液中，之后继续超声分散2小时，得到混合均匀的悬浊液。将悬浊液倒入表面皿中，80℃下干燥4小时，将干燥后的物质在玛瑙研钵中研磨得到细微的粉末。 
（7）取一定量(6)步骤得到的细微粉末，使用粉末压片机将其压为薄片，然后将薄片置于200℃下保温3小时，得到碳/硅核壳结构-PVDF复合材料。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，烘干后即可进行电学性质的测量。 
由上述过程即可获得碳/硅核壳结构与PVDF复合而成的介电复合材料，此材料拥有更高的介电常数和低的介电损耗，相对介电常数可达到2030，此时介电损耗为2.02（1kHz）。 
本发明所提供的制备聚合物基高介电复合材料的方法是通过将碳/硅核壳结构材料分散在聚合物中制备出高介电复合材料。与现有一些化学修饰方法相比，在相同介电常数下，拥有更小的介电损耗。该方法成本低廉，简单易行，无污染，在纳米碳-聚合物复合介电材料领域具有极大的应用价值。 
附图说明
图1为碳/硅核壳结构材料（图1a）与其在PVDF中高度分散（图1b）的示意图。 
图2为不同比例的碳/硅核壳结构材料与PVDF复合而成的复合材料介电常数随频率变化（图2a）和在1kHz下介电损耗随碳/硅核壳结构材料质量分数变化（图2b）的关系曲线。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细描述本发明。 
实施例1，将0.141克浓硫酸、1.25克蔗糖溶于5毫升水，向该溶液中加入1.00克SBA-15，超声分散浸渍30分钟。将所得的糊状混合物在70℃下干燥1小时，再分别在100℃和160℃炭化6小时。将所得的深棕色固体研磨成细粉，重复上述浸渍和低温炭化过程，第二次浸渍所用浸渍溶液的质量为第一次的66%（保持蔗糖，硫酸和水的质量比与首次浸渍时相同）。将所得混合物置入管式炉中，在氮气保护下，以每分钟5℃的速率升温至900℃炭化3小时。降温后，用去离子水洗涤，干燥得到碳/硅核壳结构材料，如图1a所示。 
称取一定量的碳/硅核壳结构材料，加入适量乙醇后，超声分散3小时，之后称取一定量的PVDF粉末，将PVDF粉末分次加入到碳硅复合材料和乙醇混合液中，之后继续超声分散2小时，得到混合均匀的悬浊液。将悬浊液倒入表面皿中，80℃下干燥4小时，将干燥后的物质在玛瑙研钵中研磨，得到细微的粉末。 
取一定量的上述细微粉末，使用粉末压片机将其压为薄片，然后将薄片置于200℃下保温3小时，得到碳/硅核壳结构-PVDF复合材料，如图1b所示。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，烘干后即可进行电学性质的测量。按照不同的配比要求，重复上述操作，制得一系列不同填充量的复合材料。得到复合材料的介电常数随碳/硅核壳结构材料填充量变化的规律，如图2a所示。碳/硅核壳结构材料的填充量在19wt%附近时，出现导体-绝缘体转变特性，此时介电常数达到2030，介电损耗为2.02。 

Claims (3)

1.一种含碳/硅核壳结构填料的聚合物基高介电复合材料，其特征是：所述复合材料由碳/硅核壳结构材料和聚合物复合而成。 
2.提供了一种含核壳结构填料的聚合物基高介电复合材料的制备方法。其步骤是： 
取一定量的碳/硅核壳结构材料，加入到20毫升乙醇溶剂中，超声分散3小时，掺入一定质量的高聚物粉末继续超声分散2小时，将得到的悬浊液80℃干燥、研磨后，得到细微的粉末，使用粉末压片机将其压为薄片。然后将薄片置于200℃下保温3小时，得到碳/硅核壳结构材料填充的聚合物基复合材料。 
3.权利要求1和2所述的核壳结构材料包括所有以碳材料为核的核壳结构材料。聚合物材料是包括PVDF在内的所有介电聚合物材料。 
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