[发明专利]一种石墨烯/聚酰胺介电复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯/聚酰胺介电复合材料的制备方法，属于导电填料掺杂制备良好介电性能复合材料的领域。

背景技术

高介电材料具有良好的均匀电场和储存电能的作用，在电机、电子行业中都有非常重要的应用。其中无机压电陶瓷具有高介电常数和高热稳定性等优点，但其脆性大、加工温度较高，且与目前电路集成加工技术的相容性较差等缺点限制了它的应用。而聚合物具有优良的冲击性能、良好的力学性能、良好的电绝缘性、优越的加工性能、低介电损耗、以及低成本等优点，随着电力工业、电子信息的快速发展，储能密度高、重量轻的大功率电容器的需求越来越大，以低成本生产兼顾高介电常数和低介电损耗的聚合物基纳米功能复合材料成为研究的热点。这就要求必须采用介电常数高、介电损耗小、低密度的介电材料作为电荷储存的载体。然而聚合物本身的介电常数低，这就需要高介电填料的加入。

目前提高聚合物基复合材料最有效的方法是掺杂导体或半导体填料。该类填料提高聚合物基复合材料的介电常数是基于逾渗理论，当导电填料的填料分数达到逾渗阈值时，复合材料会发生由绝缘体向导体的突变；当导电填料的填料分数接近逾渗阈值时，复合材料的介电常数就会急剧增加，这是添加导电填料的关键点。但是逾渗阈值附近，复合材料的介电常数很高，但是介电损耗也很大，为了保证复合材料介电常数和低介电损耗同时兼备，首先要改善导电填料在聚合物基体中的分散，另外也可以通过在导电填料的表面包覆一层有机层来降低介电损耗。通过用氧化石墨烯包覆碳纳米球，可以减少石墨烯的用量，再用多巴胺包覆氧化石墨烯，可以改善石墨烯与基体的分散性，在低石墨烯填充量的条件下，可得到高介电常数、低介电损耗的石墨烯介电复合材料。

聚酰胺是极性聚合物，在聚酰胺基体中引入介电填料，可以制备聚酰胺介电材料。本专利所采用的复合材料基体为一种新型的生物基聚酰胺。在能源、资源与环境都受到严重挑战的今天，以大量能源资源消耗为代价的化工工业正在面临严峻的考验。充分利用可再生资源、减少对石油等不可再生的化石资源的依赖对促进全球经济的可持续发展具有十分重大的意义。开发生物基高分子材料符合可持续发展的科学发展观和循环经济的理念。将氧化石墨烯基介电填料加入生物基聚酰胺基体中得到的复合材料对高介电材料的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯/聚酰胺介电复合材料的制备方法。首先采用生物质单体衣康酸、癸二胺、丁二胺进行缩聚得到生物基聚酰胺基体原料，接着将其乙醇溶液与氧化石墨烯基介电填料的水溶液进行溶液混合以制备石墨烯/聚酰胺介电复合材料，最后对复合材料进行进行压片以备测试。

本发明所提供的一种石墨烯/聚酰胺介电复合材料的制备方法，包括步骤如下：

1、生物基聚酰胺的制备

采用来源于可再生的生物资源衣康酸、癸二酸、癸二胺和丁二胺进行缩聚反应，制取生物基聚酰胺。合成的反应式如下：

式中：k为任意正整数，是癸二酰癸二胺链节的总数；

l为任意正整数，是衣康酰丁二胺链节的总数；

m为任意正整数，是癸二酰丁二胺链节的总数；

n为任意正整数，是衣康酰癸二胺链节的总数；

其中上述四种链段或链节的顺序任意排列。

上述生物基聚酰胺四元共聚物的制备方法，其特征在于步骤如下：

(1)单体溶解、成盐

将衣康酸和癸二酸加入到无水乙醇中，加热至65℃使之完全溶解。将丁二胺和癸二胺加入到无水乙醇中，加热至50℃使之完全溶解。将上述混合二胺单体的乙醇溶液倒入上述混合二酸单体的乙醇溶液中，50℃下持续搅拌10-12min，经冷却结晶、抽滤后得到晶体，用无水乙醇洗涤所得晶体3～5次，然后将其转入培养皿中放入30℃的真空干燥箱内进行干燥12小时，得到酰胺盐。

其中，混合二元酸单体与混合二元胺单体的总摩尔比为1:1。

(2)熔融缩聚

将上述酰胺盐与稳定剂一起加入到装有机械搅拌、温度计的三口烧瓶中，抽真空将氧气完全除去；在氮气保护下，加热至180℃，保持此温度1小时使物料完全熔融；继续升温至200℃反应2～4小时，得到聚合物粘液；然后继续升温至210℃，关闭氮气、抽真空至0.01atm，再反应2-8小时后停止加热，保持真空直至反应器冷却；将冷却后的聚合物粘液粉碎、过滤后，再用乙醇煮沸、过滤，重复3～5次，最后在真空烘箱中烘干，得到生物基聚酰胺四元共聚物。