[发明专利]高介电性能聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物基纳米复合材料及其制备的技术领域，特别涉及具有高介电性能的聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料及其制备方法。

背景技术

介电材料最重要的性质是外电场作用下能够极化，介电常数(ε)是表征一种介电材料性能的重要指标。随着电子工业的快速发展，具有优良的阻断载流子、储能电能和均匀电场作用的高介电常数材料在存储器类的动态随机存储器、各式各样的传感器、电容器、光电/电光器件、微波期间，特别是在电子电气的电力电容器、集成片式电容器、电机电缆领域方面有着极为重要的应用。因此，高介电常数的材料对于能量储存行业是十分关键的，由于电能的需求量经常是间断性或不规则变化的，必须进行高效的电能储存和控制，而提高电容器储存密度就要通过提高材料的有效介电常数。

现在大部分的高介电材料是应用铁电材料——主要是铁电陶瓷制作而成，由于铁电材料加工温度高、相互粘结力比较差，因此不可能制成很大的面积的相应元件。聚合物质轻、易加工、具有多尺度结构和特殊柔韧性，非常适于介电材料制备，但绝大数聚合物材料的介电常数较低(ε＜10)。提高聚合物材料介电性能的一条基本途径就是将具有高介电常数的陶瓷填料(如BaTiO₃)添加到聚合物材料中。聚合物/铁电陶瓷复合材料与一般的铁电陶瓷高介电材料相比，具有非常好的加工性能、较低的加工温度和介电损耗，能够制备面积和体积比较大的器件，同时成本也较铁电材料低。为使其介电常数达到工业应用水平，必须满足很高陶瓷颗粒负载量(通常超过50％)才能使聚合物介电常数提高10倍以上，但这样会大幅度降低聚合物材料本身的力学性能和粘结性、增大孔隙率，降低其作为电子材料的适用性。此外，一种有效的介电材料还必须在长期使用过程和不同温度环境下具有稳定的介电性能，但是一些铁电陶瓷材料的介电常数却与颗粒尺寸和温度有很大关系

为了满足嵌入电容器材料的要求，人们一直致力于高介电材料的开发和研究。但是，迄今为止还没有得到一种理想的可用于嵌入式电容器的介电材料。已有的材料在某些方面还存在问题，包括电性能、机械性能、加工性能等，但是很多材料有着很广泛的潜在应用。本发明的复合材料综合了聚合物优异性能和优良的加工性能，而且有机包覆层不仅可以增加填料与聚合物基体的相容性，使粒子均匀分散，而且可以在导电粒子外形成包覆层，降低渗流电流产生的可能，在保证介电常数的同时，降低其介电损耗，得到具有优良介电性能的高介电复合材料，很有希望在嵌入式电容中获得应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高介电性能的聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料(即，磺化聚醚醚酮酮和聚苯胺包覆的碳纳米管复合材料)及其制备方法。通过对聚芳醚酮聚合物的功能化改性，并且选择功能磺酸掺杂聚苯胺-碳纳米管作为填充材料，从而得到高介电性能的聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料。

聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料的制备方法是利用聚苯胺-碳纳米管作为改性填充材料，功能化聚芳醚酮即磺化聚醚醚酮酮作为基体材料，通过溶液共混的方法，制备高介电性能的功能化聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料。

本发明的高介电性能聚芳醚酮/聚苯胺-碳纳米管复合材料，组成成分包括磺化聚醚醚酮酮和聚苯胺包覆的碳纳米管，按质量分数和为100％计算，聚苯胺包覆的碳纳米管占5～45％，其余为磺化聚醚醚酮酮。

磺化聚醚醚酮酮共聚物，其结构式如下所示：

其中x/y为5/95～40/60，优选的比例为20/85～30/70；磺化聚醚醚酮酮粘度的范围为1.0～2.0(以N，N-二甲基乙酰胺为溶剂，溶液浓度为0.5g/dL)；磺化聚醚醚酮酮的制备过程可以按照Xianfeng Li在Journal of Membrane Science.(2005，255，149-155)中发表的方法合成。

本发明采用的聚苯胺-碳纳米管是采用原位聚合的方法，在碳纳米管表面包裹聚苯胺，碳纳米管(成都有机化学所，直径为10～20nm，长度为10～30μm)使用羧酸处理，聚苯胺-碳纳米管的制备过程可参照文献(J Mater Sci 200843：3664-3669)制备。其中苯胺与碳纳米管的投入量按摩尔比比例可以为40/60～80/20。即聚苯胺-碳纳米管，苯胺与碳纳米管的质量比为40∶60～80∶20。