CN104151751B - 一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料 - Google Patents

一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料 Download PDF

Info

Publication number
CN104151751B
CN104151751B CN201410250376.8A CN201410250376A CN104151751B CN 104151751 B CN104151751 B CN 104151751B CN 201410250376 A CN201410250376 A CN 201410250376A CN 104151751 B CN104151751 B CN 104151751B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cnt
hours
amorphous carbon
powder
dielectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201410250376.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104151751A (zh
Inventor
薛庆忠
郭启凯
孙晋
张忠阳
夏富军
雷拓
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Petroleum East China
Original Assignee
China University of Petroleum East China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Petroleum East China filed Critical China University of Petroleum East China
Priority to CN201410250376.8A priority Critical patent/CN104151751B/zh
Publication of CN104151751A publication Critical patent/CN104151751A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104151751B publication Critical patent/CN104151751B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明提供了一种碳纳米管/非晶碳核壳结构‑聚合物介电复合材料的制备方法。我们将碳纳米管与葡萄糖在水溶液中混合，通过水热反应制备了碳纳米管/非晶碳核壳结构材料，再将其与聚合物混合，制备了介电复合材料。该复合材料的介电常数可达到5910，而介电损耗只有2.5。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。

Description

一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，聚合物基介电复合材料因具有高介电常数、低介电损耗及优异的机械性能而受到广泛关注。传统的方法采用陶瓷材料为填料来提高聚合物的介电性能，但陶瓷填料的体积分数一般超过30％，降低了介电复合材料的柔韧性，限制了其在电容器中的应用。
当前，人们发现在聚合物中添加少量的(小于10vol％)导电纳米碳材料，如：纳米碳纤维、纳米石墨、石墨烯、碳纳米管等，可以显著提高介电复合材料的介电常数，同时保持良好的柔韧性。其中，碳纳米管因具有优异的热学、电学和力学性能，而被广泛用于制备介电复合材料。但是，碳纳米管极易发生团聚，无法在聚合物中均匀分散，严重制约了碳纳米管的实际应用。大量工作表明，化学修饰可以阻止碳纳米管团聚，提高其在聚合物中的分散性，进而获得性能优异的介电复合材料。例如，R.R.Kohlmeyer等人制备了羟基修饰多壁碳纳米管，并将其与聚合物复合，在碳纳米管掺杂量为8vol％的情况下，得到了介电常数为2200，介电损耗为5的介电复合材料(J.Phys.Chem.C,2009,113,17626)。然而，Liu等人指出，化学修饰虽然能够提高复合材料的介电常数，但无法解决介电损耗过高的问题(Adv.Mater.,2011,23,5104)。这是因为化学修饰无法避免碳纳米管的直接接触，复合材料的漏电流较大，进而导致过高的介电损耗。因此，为了获得高介电常数、低介电损耗的介电复合材料，关键的问题是防止碳纳米管团聚的同时，避免碳纳米管的直接接触。
为了解决上述问题，我们采用水热法制备了一种碳纳米管/非晶碳核壳结构材料。绝缘的非晶碳壳将碳纳米管完全包裹，不仅可以防止碳纳米管团聚，还可以避免碳纳米管的直接接触。因此，将制备的碳纳米管/非晶碳核壳结构材料与聚合物复合，在较低的掺杂量下，就得到了高介电常数、低介电损耗的介电复合材料。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。
发明内容
本发明的目的是:通过水热法制备一种碳纳米管/非晶碳核壳结构材料，并将其与聚合物复合，制备一种具有高介电性能的介电复合材料。
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发明的实现过程。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，再将其与聚合物复合得到介电复合材料。这种核壳结构不仅可以防止碳纳米管团聚，还可以避免碳纳米管的直接接触，这使得其与聚合物可以均匀复合，从而明显提高介电性能。
该种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物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。
(2)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。
(3)将(2)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。
(4)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。
(5)将(4)所得的粉末，放置在管式炉中，在氮气保护下，300℃低温固化2小时，得到碳纳米管/非晶碳核壳结构。
(6)称取一定量经过(1)-(5)步骤处理的碳纳米管，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℃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。
(7)将(6)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℃下保温3小时，得到碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料。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碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料，与碳纳米管/聚偏氟乙烯复合材料相比，前者的介电性能显著提高。在室温和1千赫兹下，碳纳米管-聚合物介电复合材料的介电常数最大为1040，损耗为2.5左右，而碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料在相同的损耗下可以达到5910，介电常数提高了6倍。并且我们所制备的碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物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。
本发明所提供的制备碳纳米管/非晶碳核壳结构的新方法，不仅可以防止碳纳米管团聚， 同时也可以防止导电的碳纳米管的直接接触，将其与聚合物进行复合，得到了介电性能优异的复合材料。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为本发明制备的碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料的示意图。
图2为不同掺杂量的碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料的电导率随频率变化示意图。
图3为1千赫兹和室温下，碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料的介电常数和介电损耗随掺杂量的变化示意图。
图4为不同掺杂量的碳纳米管-聚合物介电复合材料的电导率随频率变化示意图。
图5为1千赫兹和室温下，碳纳米管-聚合物介电复合材料的介电常数和介电损耗随掺杂量的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细描述本发明。
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℃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℃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℃低温固化2小时，便得到了碳纳米管/非晶碳核壳结构材料。
取一定量所制备的碳纳米管/非晶碳核壳结构材料，加入到20毫升乙醇溶液中，超声分散3小时，随后加入一定量的聚偏氟乙烯粉末继续超声分散2小时，得到混合均匀的分散液。将分散液倒入表面皿中，70℃下干燥4小时，将干燥后的产物用玛瑙研钵研磨成细微的粉末。然后将粉末放入粉末压片机，施加20兆帕的压力并保持10分钟，得到直径大约15毫米，厚度大约1毫米的薄片，将薄片放置于200℃下保温3小时，即可得到碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料，其结构如图1所示。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，最后用HP4194A对复合材料进行电学性质的测量。按照不同的配比要求，重复上述操作，制得一系列不同掺杂量的复合材料。不同掺杂量的碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料的 电导率随频率的变化关系如图2所示；1千赫兹和室温下，介电常数和介电损耗随掺杂量的变化关系如图3所示。碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料的最大介电常数为5910，损耗为2.5左右。
称取一定量直径40-60纳米，长度5-15微米的碳纳米管，加入到20毫升乙醇溶液中，超声分散3小时，随后加入一定量的聚偏氟乙烯粉末继续超声分散2小时，得到混合均匀的分散液。将分散液导入到表面皿中，70℃下干燥4小时，将干燥后的产物用玛瑙研钵研磨成细微的粉末。然后将粉末放入粉末压片机，施加20兆帕的压力并保持10分钟，得到直径大约15毫米，厚度大约1毫米的薄片，将薄片放置于200℃下保温3小时，即可得到碳纳米管-聚合物介电复合材料。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，最后用HP4194A对复合材料进行电学性质的测量。按照不同的配比要求，重复上述操作，制得一系列不同掺杂量的复合材料。不同掺杂量的碳纳米管-聚合物介电复合材料的电导率随频率的变化关系如图4所示；1千赫兹和室温下，介电常数和介电损耗随掺杂量的变化关系如图5所示。碳纳米管-聚合物介电复合材料的最大介电常数为1040，损耗为2.5左右。

Claims (1)

1.一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料的制备方法，其步骤包括：
(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毫升去离子水中，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；
(2)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；
(3)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，烘干后将所得的粉末，放置在管式炉中，在氮气保护下，300℃低温固化2小时，得到非晶碳层厚度仅为2纳米的碳纳米管/非晶碳核壳结构材料；
(4)称取一定量经过(1)-(3)步骤制备的碳纳米管/非晶碳核壳结构材料，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℃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1毫米的薄片，然后置于200℃下保温3小时，得到碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料，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。
CN201410250376.8A 2014-06-09 2014-06-09 一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料 Expired - Fee Related CN104151751B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410250376.8A CN104151751B (zh) 2014-06-09 2014-06-09 一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410250376.8A CN104151751B (zh) 2014-06-09 2014-06-09 一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104151751A CN104151751A (zh) 2014-11-19
CN104151751B true CN104151751B (zh) 2016-08-17

Family

ID=51877388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410250376.8A Expired - Fee Related CN104151751B (zh) 2014-06-09 2014-06-09 一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104151751B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104445134B (zh) * 2014-12-04 2016-05-18 中国工程物理研究院化工材料研究所 一种碳材料的表面改性方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101485962A (zh) * 2008-11-06 2009-07-22 青岛大学 一种分散碳纳米管的简易方法
CN103013004A (zh) * 2013-01-18 2013-04-03 中国石油大学(华东) 一种碳/硅核壳结构-聚合物高介电复合材料
CN103159982A (zh) * 2013-03-18 2013-06-19 中国石油大学(华东) 一种用于介电材料领域的核壳结构纳米碳颗粒的制备方法
CN103571110A (zh) * 2012-07-20 2014-02-12 中国石油大学(华东) 含有石墨烯核壳结构的高介电复合材料及其制备方法
CN103706388A (zh) * 2013-12-30 2014-04-09 中国科学院化学研究所 氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管的复合材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101740752B (zh) * 2009-12-16 2012-01-18 深圳市德方纳米科技有限公司 具有核壳结构的锂离子电池用复合正极材料及其制备方法
US8956517B2 (en) * 2010-06-30 2015-02-17 Indian Institute Of Technology Madras Nanocomposite based biosensors and related methods

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101485962A (zh) * 2008-11-06 2009-07-22 青岛大学 一种分散碳纳米管的简易方法
CN103571110A (zh) * 2012-07-20 2014-02-12 中国石油大学(华东) 含有石墨烯核壳结构的高介电复合材料及其制备方法
CN103013004A (zh) * 2013-01-18 2013-04-03 中国石油大学(华东) 一种碳/硅核壳结构-聚合物高介电复合材料
CN103159982A (zh) * 2013-03-18 2013-06-19 中国石油大学(华东) 一种用于介电材料领域的核壳结构纳米碳颗粒的制备方法
CN103706388A (zh) * 2013-12-30 2014-04-09 中国科学院化学研究所 氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管的复合材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
纳米碳/聚偏二氟乙烯高介电复合材料;薛庆忠等;《中国石油大学学报（自然科学版）》;20131031;第37卷(第5期);196页左栏第1段，右栏第1段, 197页1.2.3节 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104151751A (zh) 2014-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Song et al. Synergistic effect of molybdenum nitride and carbon nanotubes on electrocatalysis for dye-sensitized solar cells
CN104291321A (zh) 一种石墨烯量子点薄膜的制备方法
CN107799205B (zh) 基于纳米纤丝纤维素基底的石墨烯/纳米银导电膜及其制备方法
CN103588886B (zh) 一种易水分散纳米微晶纤维素及其制备方法
CN105399152B (zh) 一种钴酸镍纳米材料的溶剂热制备方法
Qiu et al. Study on effects of carboxymethyl cellulose lithium (CMC-Li) synthesis and electrospinning on high-rate lithium ion batteries
CN105174249B (zh) 高性能石墨烯膜与纤维及其凝胶转化制备方法
CN105885410B (zh) 一种硫化钼/聚吡咯/聚苯胺三元复合材料及其制备方法和应用
CN107556510A (zh) 一种柔性传感器电极的制备方法
CN102561109A (zh) 一种碳纳米管导电纸的制备方法
CN103157461A (zh) 一种纳米光催化剂钨酸铋及其制备方法
CN105489399B (zh) 一种Co3O4/氮掺杂石墨烯复合电极材料的制备方法
Cui et al. An all-lignin-based flexible supercapacitor based on a nitrogen-doped carbon dot functionalized graphene hydrogel
CN108831759B (zh) 一种基于石墨烯/壳聚糖多孔碳复合材料及其制备方法和应用
CN104817795B (zh) 一种石墨烯掺杂聚偏氟乙烯复合材料
CN106328382A (zh) “黄‑壳”结构的碳球/MoS2复合材料及其制备方法
CN104151751B (zh) 一种碳纳米管/非晶碳核壳结构-聚合物介电复合材料
Sun et al. Synthesis and electrorheological properties of silica-coated MoS2 nanocomposites with hierarchical and core-shell structure
CN104835645A (zh) 一种具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料及其制备方法
CN102649548A (zh) 微波加热一步法直接制备石墨烯/硫化镉纳米复合材料的方法
CN107452865B (zh) 一种金纳米颗粒包覆纳米片结构Sb2Te3热电材料的制作方法
CN103159982B (zh) 一种用于介电材料领域的核壳结构纳米碳颗粒的制备方法
Du et al. Enhancing dielectric properties of poly (vinylidene fluoride)-based hybrid nanocomposites by synergic employment of hydroxylated BaTiO3 and silanized graphene
CN107093526A (zh) 以石墨氧化物为主要成分的电极材料制备方法及其应用
CN103421203A (zh) 一种应用加热的纳米纤维素薄膜的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160817

Termination date: 20200609