[发明专利]一种含有层状结构石墨的高介电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于介电复合材料技术领域，特别涉及一种含有微米级层状结构石墨的高介电复合材料及其制备方法。 

背景技术

随着现代科技信息技术的飞速发展，以低成本生产具有高介电常数、低介电损耗的聚合物基复合材料成了介电材料研究的重点。 

利用陶瓷颗粒作为填料可以提高聚合物基体的介电常数。但是当陶瓷颗粒含量小于50%时，复合材料介电常数一般低于50（CN102702652A）。尽管提高陶瓷颗粒的含量可以进一步提高复合材料的介电常数，但过量的陶瓷颗粒往往破坏聚合物材料本身的机械性能，而且增加复合材料加工工艺难度（Adv.Mater.2005,17,1777）。 

在聚合物基体中添加导电材料是获得高介电常数、低介电损耗复合材料的另一种方法。纳米碳材料（石墨烯、碳纳米管和纳米碳纤维等）因具有导电性好、密度小、界面结合性好等优点而被广泛用作聚合物基体的填充材料，例如：碳纳米管/聚偏氟乙烯（PVDF）复合材料的介电常数为600（1千赫兹），介电损耗为2（Adv.Mater.2007,19,852）;纳米石墨片/PVDF复合材料的介电常数达到173（1千赫兹），介电损耗为0.65（Synthetic Metals,2010,160,1912）;纳米碳纤维/PVDF的介电常数为100（1千赫兹）（Nanotechnology2010,21,305702）。尽管此类纳米碳材料/聚合物复合材料具有较高的介电常数和低介电损耗，但纳米级的碳纳米管、石墨烯和碳纤维等本身非常容易团聚，其在聚合物基体中很难实现均匀分散（Adv.Mater.2005,19,1369）。此外，此类纳米碳材料对实验的精度要求较高，导致实验重复性较差。同时，碳纳米管和石墨烯等纳米碳材料价格高昂，此类纳米碳材料/聚合物复合材料很难在实际生产中得到广泛应用。 

与碳纳米管、石墨烯相比，石墨来源广泛，成本低廉，微米级的石墨对复合材料制备精度的要求较低，制备过程可控性强，重复性好。由于碳材料本身易发生团聚，因此如何有效防止其团聚，制备出能均匀分散在聚合物基体中的碳材料是制备碳基高介电复合材料的关键（Adv.Mater.2005,19,1369），相比于一维纳米级的碳纳米管、纳米纤维，二维层状结构石墨本身更不易团聚，在聚合物基体中分散性更好。此外，相比于表面高度稳定的碳纳米管、石墨烯，二维层状结构石墨表面更易修饰化学基团，化学基团的引入可以进一步提高其在聚合物基体中的分散性（Nano Letters2003,3,29）。 

我们选取了厚度为0.8μm的层状结构石墨作为原材料，通过与强碱水热反应，制得了化 学修饰的石墨/PVDF复合材料，该复合材料具有优异的介电性能。本发明操作方法简单，制备周期短，可重复性好，能耗成本低，产物无污染性，可用于大批量生产高介电性能的聚合物基介电复合材料，具有很好的应用价值和前景。 

发明内容

本发明的目的是:通过对微米级层状结构石墨进行化学修饰，并将修饰后的石墨作为添加剂与高分子材料（PVDF）混合获得一种具有高介电性能的复合材料。 

下面以厚度为0.8μm的层状结构石墨为例来说明本发明目的的实现过程，我们将微米级层状结构石墨与强碱水溶液混合，通过水热法处理，制备了化学修饰的石墨。化学修饰可以有效防止石墨自身的团聚，提高石墨在聚合物中的分散性，从而明显提高石墨/PVDF复合材料的介电性能。 

该种修饰的石墨及其与PVDF复合形成具有高介电性能的介电材料可通过以下步骤实现： 

(1)称取一定量的氢氧化钠，加入到一定量去离子水中，超声分散15min使氢氧化钠完全溶解，静置一段时间，使混合液温度降至常温。 

(2)称取一定量的微米级层状结构石墨，在超声条件下，依次少量地将微米级层状结构石墨加入到(1)步骤得到的强碱溶液中，直至微米级层状结构石墨完全溶解得到均匀的悬浊液为止。 

(3)将(2)步骤得到的微米级层状结构石墨强碱混合液倒入100ml带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，密封后180℃反应2h。反应结束后空冷至室温。 

(4)使用聚四氟乙烯滤膜对(3)步骤得到的微米级层状结构石墨强碱混合液进行抽滤，直至滤出液PH为7-9,得到黑色沉淀，再用乙醇洗涤2遍。滤出物70℃干燥过夜。得到表面强碱修饰的石墨。