專利名稱：填充有機(jī)金屬改性碳管的高介電復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電活性納米復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及介電常數(shù)高、復(fù)合溫度 低、制備工藝簡單，應(yīng)用廣泛的一種柔性高介電常數(shù)復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
高介電常數(shù)的柔性聚合物基復(fù)合材料具有明顯的電活性，即在一定的外部電場的 作用下，復(fù)合材料可以產(chǎn)生明顯的形變，是一種比較理想的適用于人工肌肉激勵(lì)器的新型 材料。這種新型材料最大的優(yōu)點(diǎn)是與純聚合物相比，具有高的介電常數(shù)，通過電場能與材 料的彈性能相互轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)在較低的電場下產(chǎn)生較大的形變，而純聚合物產(chǎn)生同樣的形 變需要較高的電場，該電場接近或超過了聚合物自身的擊穿電場。因此，復(fù)合材料的介電常 數(shù)越高，材料在一定電場下則具有越高的電場能輸出密度，即Ue= 1/2 ε ￡(IE2，式中ε是材 料的介電常數(shù)；而材料儲存的彈性能密度為Us = 1/2YS2，式中Y為材料的楊氏模量，S為形 變量，可見，高介電常數(shù)使材料具有高電場能，而同樣的電場能轉(zhuǎn)換為彈性能時(shí)，材料將產(chǎn) 生大的形變。這種高介電常數(shù)的電活性納米復(fù)合材料也可用作微電容器的介質(zhì)材料，對于 提高集成電路的運(yùn)算頻率等有十分重要的作用。過去的幾年，人們致力于研究單壁碳納米管(SWNT)聚合物基復(fù)合材料，盡管填充 較低含量SWNT(< IOwt就可使復(fù)合材料的介電常數(shù)提高，但是成本較高。而填充多壁 碳納米管(MWNT)可以大幅度降低成本，但是由于所需MWNT含量增加，填料在基體中很難分 散均勻，影響了復(fù)合材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而提供一種填充有機(jī)金屬改性碳管的 高介電復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明所提供的復(fù)合材料由有機(jī)金屬三氟苯改性的多壁碳納米管(MWNT-TFP)和 聚偏氟乙烯(PVDF)組成；復(fù)合材料中，MWNT-TFP所占的體積百分比為6 16%，PVDF所占 的體積百分比為84 94% ；MWNT-TFP的外徑為10 30nm、長度為1 5 μ m，PVDF的粒度 為 0. 1 0. 2 μ m。本發(fā)明所提供的復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟1)將粒徑為10 30nm、長度為1 5 μ m的MWNT-TFP加入到N，N- 二甲基甲酰胺 (DMF)中，超聲分散2hr ；2)將粒度為0. 1 0. 2 μ m的PVDF溶于DMF中；3)將步驟1)禾Π 2)中得到的溶液按照MWNT-TFP與PVDF的混合物中MWNT-TFP與 PVDF的體積百分比分別為6 16%和84 94%進(jìn)行混合，并超聲IOmin后，于120°C干燥 lhr，再于80°C真空干燥200min，得到復(fù)合材料薄膜；4)將復(fù)合材料薄膜在壓片機(jī)上，于200士 10°C，15士2MPa下熱壓20士2min，得到填 充有機(jī)金屬改性碳管的高介電復(fù)合材料。
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本發(fā)明具以下有益效果本發(fā)明通過對碳納米管進(jìn)行功能化改性處理后，再與PVDF復(fù)合，使得MWNT與PVDF 之間具有極好的相容性(如圖4所示)，進(jìn)而明顯改善復(fù)合材料的界面相互作的同時(shí)提高復(fù) 合材料介電常數(shù)(ε = 8000以上)和柔韌性。


圖1、本發(fā)明所制備的復(fù)合材料中的MWNT-TFP含量Kmwi^tfp)與復(fù)合材料的介電常 數(shù)(O的關(guān)系。圖2、(a)和(b)分別為本發(fā)明所制備的復(fù)合材料的介電常數(shù)(ε )和介電損耗 (tan δ )隨頻率變化的關(guān)系。圖3、本發(fā)明所使用的MWNT-TFP的TEM照片。圖4、實(shí)施例3所制備的復(fù)合材料的TEM照片。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所使用的MWNT-TFP的外徑為10 30nm，長度為1 5 μ m ；PVDF的 粒度為0. 1 0. 2 μ m。下述實(shí)施例中所使用的全部原料均為市售商品。對比例將0. 525g PVDF加熱溶解于IOml DMF中，超聲IOmin后，在普通烘箱中，于120°C 烘干lhr，再于真空烘箱中80°C下烘干200min后，在壓片機(jī)上，于200°C，15MPa條件下，熱 壓 20min。實(shí)施例11)將 0. 034g MWNT-TFP 超聲分散于 30mL DMF 中 2h ；將 0. 505g PVDF 加熱溶解于 IOml DMF中；將兩種溶液混合，繼續(xù)超聲IOmin后，在普通烘箱中，于120°C烘干Ihr ；再于 真空烘箱中80°C下烘干200min，得到復(fù)合材料薄膜；2)將復(fù)合材料薄膜放在壓片機(jī)上，于200°C，15MPa條件下，熱壓202min。實(shí)施例21)將 0. 050g MWNT-TFP 超聲分散于 30mL DMF 中 2h ；將 0. 488g PVDF 加熱溶解于 IOmlDMF中；將兩種溶液混合，繼續(xù)超聲IOmin后，在普通烘箱中，于120°C烘干Ihr ；再于真 空烘箱中80°C下烘干200min，得到復(fù)合材料薄膜；2)將復(fù)合材料薄膜放在壓片機(jī)上，于200，15MPa條件下，熱壓20min。實(shí)施例31)將 0. 067g MWNT-TFP 超聲分散于 30mL DMF 中 2h ；將 0. 472g PVDF 加熱溶解于 IOml DMF中；將兩種溶液混合，繼續(xù)超聲IOmin后，在普通烘箱中，于120°C烘干Ihr ；再于 真空烘箱中80°C下烘干200min，得到復(fù)合材料薄膜。2)將復(fù)合材料薄膜放在壓片機(jī)上，于200°C，15MPa條件下，熱壓20min。實(shí)施例41)將 0. 084g MWNT-TFP 超聲分散于 30mL DMF 中 2h ；將 0. 456g PVDF 加熱溶解于 IOml DMF中；將兩種溶液混合，繼續(xù)超聲IOmin后，在普通烘箱中，于120°C烘干Ihr ；再于真空烘箱中80°C下烘干200min，得到復(fù)合材料薄膜；2)將復(fù)合材料薄膜放在壓片機(jī)上，于200，15MPa條件下，熱壓20min。實(shí)施例5
1)將 0. 090g MWNT-TFP 超聲分散于 30mL DMF 中 2h ；將 0. 451g PVDF 加熱溶解于 IOml DMF中；將兩種溶液混合，繼續(xù)超聲IOmin后，在普通烘箱中，于120°C烘干Ihr ；再于 真空烘箱中80°C下烘干200min，得到復(fù)合材料薄膜；2)將復(fù)合材料薄膜放在壓片機(jī)上，于200°C，15MPa條件下，熱壓20min。
權(quán)利要求
一種填充有機(jī)金屬改性碳管的高介電復(fù)合材料，其特征在于，所述的復(fù)合材料由有機(jī)金屬三氟苯改性的多壁碳納米管MWNT TFP和聚偏氟乙烯PVDF組成；復(fù)合材料中，MWNT TFP所占的體積分?jǐn)?shù)為6～16％，PVDF所占的體積分?jǐn)?shù)為84～94％；MWNT TFP的外徑為10～30nm、長度為1～5μm，PVDF的粒度為0.1～0.2μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種填充有機(jī)金屬改性碳管的高介電復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于，包括以下步驟1)將粒徑為10 30nm、長度為1 5μ m的MWNT-TFP加入到N，N- 二甲基甲酰胺DMF 中，超聲分散2hr ；2)將粒度為0.1 0. 2 μ m的PVDF溶于DMF中；3)將步驟1)和2)中得到的溶液按照MWNT-TFP與PVDF的混合物中MWNT-TFP與PVDF 的體積百分比分別為6 16%和84 94%進(jìn)行混合，并超聲IOmin后，于120°C干燥lhr， 再于80°C真空干燥200min，得到復(fù)合材料薄膜；4)將復(fù)合材料薄膜在壓片機(jī)上，于200士10°C，15士2MPa下熱壓20士2min，得到填充有 機(jī)金屬改性碳管的高介電復(fù)合材料。
全文摘要
填充有機(jī)金屬改性碳管的高介電復(fù)合材料屬于電活性納米復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明復(fù)合材料由外徑為10～30nm、長度為1～5μm的MWNT-TFP和粒度為0.1～0.2μm的PVDF組成；其中，MWNT-TFP所占的體積比為6～16％，PVDF所占的體積比為84～94％。本發(fā)明通過將MWNT-TFP和PVDF分別容于DMF中，而后將二者混合超聲分散，再經(jīng)烘干，熱壓成型，得到本發(fā)明復(fù)合材料。本發(fā)明制備的復(fù)合材料具有介電常數(shù)高、復(fù)合溫度低、制備工藝簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C08J5/18GK101955620SQ200910089270
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者黨智敏, 王嵐 申請人:北京化工大學(xué)