[发明专利]一种高介电常数低介电损耗的弹性体复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高介电常数低介电损耗的弹性体复合材料制备及其方法，尤其是涉及一种通过控制碳纳米管在基体中取向排列获得的高介电常数、低介电损耗的弹性体复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，高介电常数、低介电损耗弹性体基介电性材料因其在如储能器、传感器、人工肌肉等领域的潜在应用价值而受到了广泛的关注。碳纳米管/弹性体复合材料可以通过低的碳纳米管载量在保持良好的机械性能的同时获得较高的介电常数，但这种介电常数的显著提高通常伴随着介电损耗的大幅提高，限制了其在实际中的应用。正因如此，如何使碳纳米管/弹性体复合材料兼具高介电常数与低介电损耗已成为一个难题。为解决这一难题，一种常用的方法是以核壳结构的碳纳米管作为填料，即在碳纳米管外围包覆一层绝缘壳层，在保证良好分散的同时，发挥绝缘壳层的能垒作用，阻止碳纳米管之间的电荷流通，从而降低了复合材料的介电损耗，而碳纳米管内部依然保持着导电性，通过增加碳纳米管含量，便可提高了复合材料的介电常数。另一种方法是对碳纳米管进行表面修饰，增加与基体有良好相容性的官能团，如-COOH, -OH等，改善碳纳米管在基体中的分散，从而提高复合材料的逾渗值，进而通过增加碳纳米管的用量，在提高介电常数的同时，降低介电损耗。但这两种方法制备的复合材料中，碳纳米管均为无规分散，它们之间很容易形成搭接，致使介电损耗降低有限，而且表面改性和包覆过程复杂，很难控制。

中国专利申请“含有碳纳米管的高介电复合材料及其制备方法”(专利申请号:03104776.9)提出了采用碳纳米管CNT、钦酸钡BaTIO₃和有机聚偏氟乙烯(PVDF)制成的复合材料，其介电常数可以高达450。但是对于填充导电填料的复合材料，在逾渗值附近时，由于电流漏电等因素使材料的介电损耗大幅增加。高介电损耗的材料大大局限了复合材料的应用。另外，钦酸钡BaTIO₃的大量填充同样导致了复合材料的模量增加，限制了形变量的增大。

中国专利申请“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”(专利申请号：201110233290.0)中采用聚苯胺作为绝缘层包覆碳纳米管，通过溶液铺膜法制备了碳纳米管/聚芳醚酮复合材料，碳纳米管的包覆过程非常复杂，不易控制，逾渗值时介电损耗大幅增加，由0.34增至了9.97，大大限制了介电材料的应用。

发明内容

本发明设计了一种高介电常数低介电损耗的弹性体复合材料及其制备方法，其解决的问题是：（1）介电复合材料高介电常数与低介电损耗不能兼顾的问题；（2）现有准备方法所得的弹性体复合材料中碳纳米管均为无规分散，碳纳米管之间很容易形成搭接，致使介电损耗有限，而且表面改性和包覆过程复杂，很难控制。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案： 

一种高介电常数低介电损耗的弹性体复合材料制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将碳纳米管分散于分散剂中得到碳纳米管分散良好的悬浮液a，其中碳纳米管与分散剂的质量比为0.1%-8%；将弹性体溶于溶剂中，得到完全溶解的溶液b，其中弹性体与溶剂的质量比为8%-30%；将所述悬浮液a与所述溶液b混合并搅拌均匀，得到碳纳米管/弹性体/溶剂悬浮液；其中，碳纳米管相对于弹性体的含量为0.5wt%—10wt%；弹性体相对于碳纳米管/弹性体/溶剂悬浮液的总质量的含量为5%—20%；

步骤2、将所述碳纳米管/弹性体/溶剂悬浮液进行静电纺丝处理，得到碳纳米管/弹性体复合纤维膜；

步骤3、将所述碳纳米管/弹性体复合纤维膜进行后处理，排除纤维堆砌形成的空隙，得到了密实的及表面平滑的碳纳米管/弹性体复合材料。

所述碳纳米管/弹性体/溶剂悬浮液中，碳纳米管相对于弹性体的含量为0.5wt%—10wt%，优选0.5wt%—4wt%。碳纳米管含量太少，对所得复合材料的介电性能无明显影响；另外，由于静电纺丝的稳定性受碳纳米管/弹性体/溶剂悬浮液黏度的影响，而黏度又限制了溶剂与分散剂的量，进一步限制了碳纳米管的加入量，如果碳纳米管的含量过高，其在少量的分散剂中很难良好分散。与此同时，碳纳米管的长度应小于5um，若其长度过长，会影响其在分散剂中的分散，并影响其在静电纺丝过程中沿纤维方向的取向。