[发明专利]聚酰亚胺高介电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子功能材料技术领域，具体的是，利用石墨烯与钛酸钡共同改性聚酰亚胺，提供一种聚酰亚胺高介电复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的不断发展与进步，人们对能源的需求越来越大，最有效地利用能源已成为大家关注的事情。在有效利用电能方面，为了能将电能快速有效地储存起来进行利用，人们研发了超级电容器。而在超级电容器的制造中，电介质材料是非常重要的。在这方面，聚合物基高介电复合材料是理想的电容器电介质材料，它能够广泛地应用于需要电储能材料的领域。

在电介质材料方面，石墨烯是英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过胶带反复剥离石墨片获得的二维平面碳材料。石墨烯具有非常大的比表面积，其理论上的最大值接近2600 m²/g，其热导率可达5000 W／(m．K)，室温下载流子迁移率高达15000cm²／(V·s)。由于石墨烯在光、电、热等方面的优异性能，它在近年来已经成为化学、材料科学和物理学等诸多领域研究的热点。

此外，聚酰亚胺是重复单元中含有酰亚胺基团的芳杂环聚合物，其分子结构单元稳定，具有较高的耐热性能和力学性能，被广泛地应用于航空航天、电气电子等前沿领域。聚酰亚胺的介电常数为3-4，经过无机纳米材料复合的聚酰亚胺复合材料具有良好的耐击穿性能，可作为耐高温绝缘材料。

钛酸钡是典型的钙钛矿型铁电体陶瓷，它具有优良的介电性能，常常用于改性聚合物材料的介电性能。非改性的纳米钛酸钡填充聚合物在达到一定添加量时，必然导致复合材料内部结构的缺陷和性能的下降。

目前，利用陶瓷材料和导体粒子改性聚合物是制备高介电复合材料的主要手段，由于无机功能体的加入能较好地赋予聚合物某些特定的功能。贺国文等人通过对多壁碳纳米管的化学改性，通过原位聚合的方法再经热处理，制备出了碳纳米管-聚酰亚胺复合材料。在该技术中，化学改性的碳纳米管能很好地分散在聚酰亚胺基体中，使复合材料的耐热性能和力学性能都得到了增强：当碳纳米管含量在10%时，其介电常数达到66.7（见《中国有色金属学报》，2011,21（5）：1123-1130）。王瑾青（Jin Qing Wang）等人通过对氧化石墨烯进行化学改性，使其表面带有异氰酸根，然后再与聚酰胺酸前驱体溶液共混，经热处理固化，获得了石墨烯-聚酰亚胺复合材料。在这一技术中，化学改性的石墨烯片层能较好地分散在聚合物基体中，在添加了少量石墨烯的情况下，所述复合材料的力学性能和耐热性能都会有显著提升（Composites: Part A，2012，43：1537–1545）。

发明内容

本发明的目的在于利用石墨烯与钛酸钡共同改性聚酰亚胺，提供一种聚酰亚胺高介电复合材料，它通过原位聚合的方式，使石墨烯片层与聚酰亚胺分子链共价结合，促进无机相在分子尺度上的分散，由于导电体的协同作用，能有效地降低钛酸钡的体积分数，从而能有效地减少无机相对材料内部结构造成的缺陷；本发明的第二个目的是，提供所述聚酰亚胺高介电复合材料的制备方法，从而使制备出的聚酰亚胺高介电复合材料具有稳定的性能。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

一种聚酰亚胺高介电复合材料，其特征是，所述复合材料以聚酰亚胺为基体相，改性石墨烯和纳米钛酸钡为无机相，在所述复合材料中，各组分的质量百分比为：

改性石墨烯   0.5～3.0wt%；

纳米钛酸钡   9.6～29.8wt%；

聚酰亚胺     69.7～87.4wt%。

进一步，所述改性石墨烯是用对苯二胺接枝改性的石墨烯。

进一步，所述改性石墨烯的表面含有化学接枝的聚酰亚胺。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

一种聚酰亚胺高介电复合材料的制备方法，其特征是，含有以下步骤：

   （1）氧化石墨烯的改性

① 取一定量的氧化石墨加入到20～40ml二氯亚砜与0.5～2ml无水二甲基甲酰胺的混合溶液中，经超声30～60分钟剥离；在氮气保护下，在70～80℃的温度条件下，温和反应12～24小时，获得氧化石墨的酰氯化产物；

过多的二氯亚砜通过减压蒸馏法去除；