[发明专利]高储能密度聚芳醚腈基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种高储能密度聚芳醚腈基复合材料及其制备方法和应用，首先采用聚多巴胺对钛酸钡表面进行有机化改性，使得BT表面带上一层聚合物修饰层，再将表面带有聚多巴胺修饰层的BT填料加入聚芳醚腈基体中，最后得到介电常数明显增强的高介电聚芳醚腈基。本发明采用聚多巴胺作为表面改性剂，对钛酸钡颗粒表面进行有机化改性处理；使得其具有亲有机物的化学键；减小钛酸钡颗粒之间的的团聚作用；改善钛酸钡在聚合物基体中的均匀分散特性；采用聚芳醚腈作为聚合物基体材料，克服传统电容器聚丙烯聚合物电介质耐热性偏低的缺点。

技术领域

本发明涉及一种高储能密度聚芳醚腈基复合材料及其制备方法和应用，属于高分子介电材料技术领域。

背景技术

电容器是电子行业的一个最基本而又非常重要的电子元件。近年来，电子电器领域对轻量化以及高储能密度电容器的需求日益提高。为了适应高储能密度电容器向小型化、轻型化发展，采用具有耐高温、高储能密度特点的有机薄膜作为介质材料代表了当今高储能密度电容器的发展趋势。由于电子科学技术的进步,开发质轻、小型化、高储能密度集成化的电容器的需求日益急切。电容器的关键材料为高介电电介质，所以开发新型高介电材料是制备高储能密度电容器的关键。要制备这种质轻、小型化高储能密度集成化的电容器就需要采用介电常数高、介电损耗低、击穿强度高、方便加工、密度低等综合性能优异的新型电介质。通常单一材料构成的电介质只能满足其中一两个条件。最为简单有效的方法是将已有的材料通过制备复合材料的方法来互补材料的性能。

钛酸钡材料(BaTiO₃，简写BT)作为一种高介电常数无机陶瓷，在室温下具有非常高的介电常数(ε≈3000)和较低的介电损耗(0.001)，是一种提升聚合物介电性能的理想无机填料。但钛酸钡本身密度比较大(6.017g/cm³)、击穿强度较小(25kV/mm)且不易成型加工，难以同时满足电介质材料的厚度薄、质量轻、介电常数高且损耗低的综合要求。和普通陶瓷电容器里的高介电陶瓷相比，聚合物基电介质拥有较低的密度但是介电常数往往较低。

发明内容

本发明提供一种高储能密度聚芳醚腈基复合材料及其制备方法和应用，聚合物基体中加入高介电陶瓷或者导电填料开发聚合物基复合材料，从而实现优势互补，得到的既有易于加工、韧性良好同时兼具轻量化的高介电复合材料。

聚芳醚腈(PEN)拥有几乎媲美聚酰亚胺和聚醚醚酮的耐热性，聚芳醚腈的耐热性与聚醚醚酮相当(初始热分解温度480℃)，耐热性优异。这主要由于腈基极性基团之间的偶极作用提高了聚芳醚腈分之间作用力以及存在于聚芳醚腈分子主链上的芳香基团。此外，纯聚芳醚腈的介电常数约为3.5-5.0，击穿强度约为150kV/mm,储能密度约为0.5J/cc。由于纯钛酸钡与聚芳醚腈之间的界面结合效果不是很理想。本发明首先采用聚多巴胺对钛酸钡表面进行有机化改性，使得BT表面带上一层聚合物修饰层，再将表面带有聚多巴胺修饰层的BT填料加入聚芳醚腈基体中，最后得到介电常数明显增强的高介电聚芳醚腈基。

具体的技术方案为：

高储能密度聚芳醚腈基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将改性的BT粒子分散于适量的有机溶剂中，超声处理30min，得到改性的BT粒子悬浊液；通过加热使PEN固体颗粒完全溶解于适量的有机溶剂中，得到PEN溶液；

S2、将改性的BT粒子悬浊液加入到PEN溶液中，机械搅拌30min，形成均匀混合的悬浊液；S3、将悬浊液浇铸到水平放置的玻璃板上；

S3、采用程序，逐步除去溶剂；待自然冷却至室温后，得到PDA@BT/PEN复合薄膜。

步骤S1中所述有机溶剂为氮甲基吡咯烷酮溶剂NMP、或氮氮二甲基甲酰胺DMF。

所述的改性的BT粒子与PEN固体颗粒质量总和中，改性的BT粒子含量为10wt～40wt％。