[发明专利]基于模板的三维网状碳材料/高分子功能复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于模板的三维网状碳材料/高分子功能复合材料及其制备方法。该方法以水分散的炭黑、碳纳米管、氧化石墨烯等碳材料和硼氢化物为原料，以开孔海绵为三维模板，通过浸渍法得到含碳材料/硼氢化物复合物的海绵，干燥后浇注或浸渍不同种类的高分子材料，最终制得相对介电常数大于103的三维网状碳材料/高分子功能复合材料。该材料在介电储能材料、电磁屏蔽、弹性导体、压阻材料和柔性电子器件等领域均有广泛应用，制备方法具有过程简单、成本低、效率高等优点。

技术领域

本发明涉及一种高分子功能复合材料加工技术与应用技术领域，具体是一种基于模板的三维网状碳材料及其高介电常数高分子功能复合材料的制备方法，可广泛应用于介电储能材料、电磁屏蔽、弹性导体、压阻材料和柔性电子器件等领域。

背景技术

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，由此构成的碳材料在人们的生活、工作中同样发挥着重要的作用。导电炭黑、碳纤维、天然石墨等都是常见的碳材料，碳纳米管、石墨烯为新型碳材料，它们都具有优异的电学、热学和力学性能。将碳材料进行组装以构建三维材料，为调控体系结构提供了一种简单的方法，可在更大的尺度和空间中体现纳米材料的优异特性。

高分子材料质轻、使用寿命长、具有优良的力学性能、隔热性能，且易加工成型。但绝大多数体积电阻率通常大于10¹²（Ω·cm），属于绝缘材料，限制了它在许多方面的应用。为使其成为导体或半导体，可采用添加导电填料的方法。

现有技术一般通过将高分子材料与碳材料为主的导电填料、钛酸钡为代表的高介电陶瓷材料进行共混复合，得到具有一定介电常数的高分子功能复合材料，但其介电常数通常不高，一般在10-300范围内。

研究发现，三维网状碳材料及其高分子功能复合材料在纳米电子学、能量储存与转换、化学生物传感、环境保护等研究领域均表现出优异的性能。如阎云海等人（阎云海，朱立伟，贾慧.超级电容器用三维石墨烯的制备和性能研究[J].山东化工,2016,07:47-50.）使用水合肼还原改性过的GO，再利用冷冻干燥技术得到的三维石墨烯具有较高的比电容、优异的大电流放电性和较好的循环稳定性，可作为电极材料用于超级电容器中。Tan的研究组（Liu J, He Z, Xue J, et al. A metal-catalyst free, flexible and free-standing chitosan/vacuum-stripped graphene/polypyrrole three dimensionalelectrode interface for high performance dopamine sensing[J]. Journal ofMaterials Chemistry B, 2014, 2(17):2478-2482.）提出了一种层状多孔壳聚糖/真空剥离石墨烯/聚吡咯（CHI/VSG/PPy）支架作为独立的柔性电化学传感器用于多巴胺检测。Li等（Li R, Chen C, Li J, et al. A facile approach to super hydrophobic andsuperoleophilic graphene/polymer aerogels[J]. Journal of Materials ChemistryA, 2014, 2(9):3057-3064.）则利用溶剂热的方法，将氧化石墨烯和聚偏二氟乙烯（PVDF）混合液还原成超疏水性的石墨烯-PVDF气凝胶，可用于油和有机溶剂的吸收。得到的气凝胶吸附四氯化碳后，体重可增加7500%，表现出超高的吸收力。专利201710051316.7公开了一种以低温热剥离的石墨粉为原料，通过一步烧结法将二维石墨烯粉末组装成三维石墨烯泡沫的方法，制得的超轻石墨烯泡沫在电磁屏蔽领域和有机污染物吸附领域有重要应用。专利201610531766.1采用化学气相沉积法在丝网模板表面生长石墨烯，制得的三维石墨烯可应用于超级电容器、锂离子电池等领域。但现有的三维碳材料制备技术，一般会存在制备效率低、稳定性差、成本高等问题。