[发明专利]碳材料及聚酰亚胺复合的三明治薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有耐高温、高介电常数、低介电损耗等性能的碳材料及聚酰亚胺复合的三明治薄膜制备方法。  

背景技术

聚酰亚胺(简称PI)是一类重复结构单元为酰亚胺基的聚合物。传统的聚酰亚胺材料具有耐高温、耐腐蚀、低介电常数和低介电损耗，具有高绝缘性能，是综合性能最佳的有机高分子材料之一，也是至今为止工业领域耐热级别最高的功能材料。随着社会的发展，特别是电容器的发展，要求材料具有耐高温、柔性、高介电常数同时介电损耗小等特症。聚酰亚胺是耐热的柔性高分子材料，如果能提高聚酰亚胺介电常数的同时保持它的低介电损耗，将会使得聚酰亚胺在耐高温电容器方面的应用成为可能。这就要求对传统的聚酰亚胺进行改性，全方位的提高聚酰亚胺的综合性能，以更好的适应社会新的需求。

碳元素由于其独特的sp、sp2、sp3三种杂化形式,构筑了丰富多彩的碳质材料世界。新型碳材料，特别是碳纤维、碳纳米管、石墨烯的出现，给许多材料提供了新的机遇，尤其是碳纳米管、石墨烯，这两种材料的发现者分别被授予2008年Kavli纳米科学奖、2010年的Nobel物理奖。作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，碳纳米管和石墨烯在结构和性能上有许多相似性，它们都具有高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等优异性能。近年来许多学者对新型碳材料及其复合材料的研究引起了广泛的兴趣，并取得了令人瞩目的成果，各种新型材料被竞相开发。

碳材料/聚酰亚胺复合材料便在这种环境下应运而生，目前已被制成导电材料、形变记忆材料、高强纤维等。现有的耐高温、高介电材料主要是陶瓷类类材料，陶瓷类材料虽然介电常数可以很大，但具有密度大、质地硬、烧结温度高、制备成本高、环境污染等缺点。聚合物基的介电材料由于质轻、柔韧性好、环境友好、成本低廉，引起了人们的广泛关注，但是目前制得的聚合物基复合材料主要存在以下几个缺点：1）常见的聚合物在高温下不稳定；2）为了提高介电常数，通常要加入大量的填充物（高介电陶瓷或导电纤维），这样会使得复合材料的机械性能很差；3）填充物的加入使得复合材料形成导电通路，损耗会急剧增加。本发明中制得的三明治结构、柔性碳材料及聚酰亚胺复合薄膜能同时克服上述缺点，因此，具有良好的发展前景。 

发明内容

    本发明的目的是提供一种工艺简单、制备过程便于操作的一种具有耐高温、高介电常数、低损耗、柔性的碳材料及聚酰亚胺复合的三明治薄膜制备方法。通过使用聚酰亚胺常用合成方法直接合成出具耐高温、高介电常数、低损耗的聚酰亚胺/碳材料/聚酰亚胺薄膜。

为实现上述目的，本发明提出一种制备耐高温、高介电常数、低损耗性能三明治结构、柔性聚酰亚胺/碳材料/聚酰亚胺复合薄膜的方法。该方法将一定比例的碳材料分散在溶剂中形成悬浊液，直接加入到由单体二胺和二酐在室温下聚合形成聚酰胺酸溶液以及碳材料/聚酰胺酸混合溶液。在固定形状基板上逐层浇注聚酰胺酸溶液、碳材料/聚酰胺酸混合溶液、聚酰胺酸溶液，在高温下固化而得。

技术方案如下：

一种碳材料及聚酰亚胺复合的三明治薄膜制备方法，其特征在于：

步骤1）将纳米级的碳材料加入到可溶解聚酰胺酸的溶剂中配成碳材料悬浮液，碳材料与溶剂的质量比为1/20~1/4;

步骤2）按二胺和二酐总质量与溶剂的质量比为5%，将二胺和二酐按摩尔比为1.05/1~1/1.05的比例加入到可溶解聚酰胺酸的溶剂中，在室温下聚合3h~24h，生成聚酰胺酸溶液；

步骤3）按照二胺、二酐的总质量与碳材料的质量之比为100/1~1/1的比例，将二胺和二酐加入到碳材料悬浮液中，所述二胺和二酐的摩尔比为1.05/1~1/1.05，再加入同种可溶解聚酰胺酸的溶剂，配制成碳材料、二胺及二酐的总质量与溶剂的质量比为5%的混合溶液，在室温下聚合3h~24h，生成碳材料与聚酰胺酸混合溶液；

步骤4）取步骤2）得到的聚酰胺酸溶液6~12mL，液浇注于基板上，加热到90℃，在-0.08MPa~-0.09MPa下真空脱除溶剂，形成聚酰胺酸薄膜；

步骤5） 降温至60℃~70℃，在聚酰胺酸薄膜上浇注碳材料与聚酰胺酸混合溶液6~12mL，加热到90℃，在-0.08MPa~-0.09MPa下真空脱除溶剂，形成第二层薄膜；