[发明专利]一种聚合物基高储能密度材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于介电材料及储能材料制备技术领域，特别涉及一种聚合物基高储能密度材料及其制备方法，具体地说，涉及含有改性碳纳米管的高储能密度的纳米复合材料，具有绝缘性好、密度低、柔韧性佳、低成本及易加工的，可应用于信息技术电子器件、介电工程和静电能存储及电容器介电材料。

背景技术

信息技术的飞速发展使得电子器件向“微、小、轻”的方向快速迈进，而制备高储能密度的电容器将是降低电子器件体积、质量、成本的有效途径之一。聚合物基复合材料由于具备绝缘性好、密度低、柔韧性佳、低成本及易加工等优点而在现代电子学和介电工程中备受推崇。

根据电介质物理学理论，介电材料的最大储能密度可表达为Ue＝0.5ε₀ε_rE_d²，这里，ε₀是指真空介电常数，ε_r是相对介电常数，E_d是材料的击穿场强。不言而喻，要提高由电介质组成的电容器的储存电能量的能力，只有设法提高介质的介电常数和击穿场强才可实现。一种方法是填加具有高介电常数的无机纳米填料来提高介电性能，例如钛酸钡(BaTiO₃)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)和二氧化钛(TiO₂)等。但是这类材料存在密度大、气孔多、柔韧性差等缺点而限制其使用。另一种方法是填加导电填料，如碳纳米管，金属(金、银、铝、铜、镍等)纳米粒子，利用其在渗流阈值附近介电常数发生突变的现象来提高复合材料的介电性能。同时，复合材料的损耗、漏导也增加，使得击穿场强显著下降。

因此，需要开发一种成本低、密度小、重量轻、加工容易及高储能密度的聚合物基介电复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物基高储能密度材料及其制备方法，其特征在于，所述聚合物基高储能密度材料由通过化学方法用有机物改性的碳纳米管材料和芳香烯烃类聚合物为基体材料按3～10wt％的比例组成。

所述改性的碳纳米管材料的制备是利用原位聚合的方法在碳纳米管壁上包覆一有机电子阻隔纳米层，形成以碳纳米管为核，有机层为壳的核/壳结构材料，具体方法为将0.5～3毫克碳纳米管加入1～5ml有机改性剂、0.1～3克的引发剂和4～8克的分散剂或乳化剂的混合物中，并在惰性气氛中，在超声或搅拌条件下，在-5～5℃下反应0.5～10小时，经干燥后形成以碳纳米管为核，有机层为壳的核壳结构材料。

所述基体材料是聚苯乙烯完全溶解在乙酸乙酯溶液中搅拌成匀质溶液。

所述复合材料的制备：将改性碳纳米管和基体材料按3～10wt％的比例混合、搅拌均匀后，进行溶液浇注，常温成膜，再在150～180℃，10～20MPa的条件下热压20分钟成型，最后冷压定型制备成高储能密度的复合材料，得到高储能密度介电复合材料。

所述有机改性剂为吡咯，分析纯。

所述引发剂为过硫酸铵，分析纯。

所述乳化剂为十六烷基苯磺酸钠，分析纯。

所述惰性气氛为氩气。

本发明的显著效果：1.提供一种高储能密度，低密度，易加工，低成本的聚合物基介电复合材料。2.提供一种轻质，易分散，表面改性良好的导电填料(改性的碳纳米管材料)的制备方法。3.提供一种工艺简单，适宜于工业化生产的聚合物基介电复合材料。

附图说明

图1为改性碳纳米管(MWCNT@PPy)的拉曼光谱图。

图2为改性碳纳米管(MWCNT@PPy)的X光电子能谱图。

图3为复合材料的介电常数随频率的变化关系图(0.03，0.06，0.08，0.1MWCNT@PPy/PS复合材料)。

图4为复合材料的介电损耗随频率的变化关系图(0.03，0.06，0.08，0.1MWCNT@PPy/PS复合材料)。

图5为复合材料的介电常数随温度的变化关系图(0.1MWCNT@PPy/PS复合材料)。

图6为复合材料的漏电流密度随击穿场强的变化关系图(0.1MWCNT@PPy/PS复合材料)。

图7为复合材料的电滞回线图(电位移-击穿场强图)(0.1MWCNT@PPy/PS复合材料)。

具体实施方式

本发明为一种聚合物基高储能密度材料及其制备方法。制备步骤如下：