[发明专利]填充有机金属改性碳管的高介电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电活性纳米复合材料制备技术领域，特别涉及介电常数高、复合温度低、制备工艺简单，应用广泛的一种柔性高介电常数复合材料及其制备方法。

背景技术

高介电常数的柔性聚合物基复合材料具有明显的电活性，即在一定的外部电场的作用下，复合材料可以产生明显的形变，是一种比较理想的适用于人工肌肉激励器的新型材料。这种新型材料最大的优点是：与纯聚合物相比，具有高的介电常数，通过电场能与材料的弹性能相互转换，可实现在较低的电场下产生较大的形变，而纯聚合物产生同样的形变需要较高的电场，该电场接近或超过了聚合物自身的击穿电场。因此，复合材料的介电常数越高，材料在一定电场下则具有越高的电场能输出密度，即U_E＝1/2εε₀E²，式中ε是材料的介电常数；而材料储存的弹性能密度为U_S＝1/2YS²，式中Y为材料的杨氏模量，S为形变量，可见，高介电常数使材料具有高电场能，而同样的电场能转换为弹性能时，材料将产生大的形变。这种高介电常数的电活性纳米复合材料也可用作微电容器的介质材料，对于提高集成电路的运算频率等有十分重要的作用。

过去的几年，人们致力于研究单壁碳纳米管(SWNT)聚合物基复合材料，尽管填充较低含量SWNT(＜10wt％)就可使复合材料的介电常数提高，但是成本较高。而填充多壁碳纳米管(MWNT)可以大幅度降低成本，但是由于所需MWNT含量增加，填料在基体中很难分散均匀，影响了复合材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种填充有机金属改性碳管的高介电复合材料及其制备方法。

本发明所提供的复合材料由有机金属三氟苯改性的多壁碳纳米管(MWNT-TFP)和聚偏氟乙烯(PVDF)组成；复合材料中，MWNT-TFP所占的体积百分比为6～16％，PVDF所占的体积百分比为84～94％；MWNT-TFP的外径为10～30nm、长度为1～5μm，PVDF的粒度为0.1～0.2μm。

本发明所提供的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将粒径为10～30nm、长度为1～5μm的MWNT-TFP加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声分散2hr；

2)将粒度为0.1～0.2μm的PVDF溶于DMF中；

3)将步骤1)和2)中得到的溶液按照MWNT-TFP与PVDF的混合物中MWNT-TFP与PVDF的体积百分比分别为6～16％和84～94％进行混合，并超声10min后，于120℃干燥1hr，再于80℃真空干燥200min，得到复合材料薄膜；

4)将复合材料薄膜在压片机上，于200±10℃，15±2MPa下热压20±2min，得到填充有机金属改性碳管的高介电复合材料。

本发明具以下有益效果：

本发明通过对碳纳米管进行功能化改性处理后，再与PVDF复合，使得MWNT与PVDF之间具有极好的相容性(如图4所示)，进而明显改善复合材料的界面相互作的同时提高复合材料介电常数(ε＝8000以上)和柔韧性。

附图说明

图1、本发明所制备的复合材料中的MWNT-TFP含量(f_MWNT-TFP)与复合材料的介电常数(ε)的关系。

图2、(a)和(b)分别为本发明所制备的复合材料的介电常数(ε)和介电损耗(tanδ)随频率变化的关系。

图3、本发明所使用的MWNT-TFP的TEM照片。

图4、实施例3所制备的复合材料的TEM照片。

具体实施方式

下述实施例中所使用的MWNT-TFP的外径为10～30nm，长度为1～5μm；PVDF的粒度为0.1～0.2μm。

下述实施例中所使用的全部原料均为市售商品。

对比例

将0.525g PVDF加热溶解于10ml DMF中，超声10min后，在普通烘箱中，于120℃烘干1hr，再于真空烘箱中80℃下烘干200min后，在压片机上，于200℃，15MPa条件下，热压20min。

实施例1

1)将0.034g MWNT-TFP超声分散于30mL DMF中2h；将0.505g PVDF加热溶解于10ml DMF中；将两种溶液混合，继续超声10min后，在普通烘箱中，于120℃烘干1hr；再于真空烘箱中80℃下烘干200min，得到复合材料薄膜；

2)将复合材料薄膜放在压片机上，于200℃，15MPa条件下，热压202min。