[发明专利]聚偏氟乙烯/聚多巴胺包覆石墨烯纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于介电材料和纳米复合材料领域，具体涉及一种高介电聚偏氟乙烯/聚多巴胺包覆石墨烯纳米复合材料的制备方法。

背景技术

聚偏氟乙烯具有优异的压电、电性能、热稳定性和耐腐蚀性能，同时柔韧性和易于加工的特性使其成为电介质材料的优选材料，电子工业产品微型化的发展趋势要求电介质材料具有更高的介电常数低损耗，因而开发高介电常数低损耗的聚偏氟乙烯复合材料具有潜在工业应用价值。

目前，制备聚合物基电介质复合材料的常规方法分为两类。分别是添加本征型高介电无机陶瓷粒子和导电粒子。

将高介电常数的陶瓷粒子引入聚偏氟乙烯基体中，能够提高介电常数同时具有介电损耗较低。发明专利（CN102558718A）中，钛酸钡/聚偏氟乙烯复合介电薄膜在100Hz～1MHz的频率范围内,相对介电常数可达70以上，介电损耗低于0.005，但是,钛酸钡与聚偏氟乙烯的质量比为1.5～5.0∶1。文献(Acs applied materials and interfaces,2013,5:1747）报道,将超支化芳香族聚酰胺包覆改性的钛酸钡填充聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）中，该复合材料在填充量为40 vol%频率1000赫兹时，介电常数为1485.5。上述方法得到的复合材料由于高填充势必大幅降低其柔韧性和可加工性，聚合物基体的优点不能发挥从而使工业应用受到限制。

填充导电粒子的复合材料在渗滤阈值附近电导率和介电常数发生突变现象，由于填料含量少使得能够保持聚合物基体柔韧和易加工的特点，因此用导电填料制备电介质材料是目前的研究热点之一。发明专利（CN102702652A）报道用表面自钝化Al粉填充聚偏氟乙烯，其中Al用量为PVDF体积百分比含量的10-50%，介电常数在室温1kHz下高于58,介电损耗低于0.02。尽管介电常数相对较高且介电损耗值很客观，但填充量过高是此方法不足之处。文献（Nanotechnology，2012,23：365702）报道用石墨烯填充聚偏氟乙烯得到超低渗滤阈值（体积分数占0.0017），在阈值附近100赫兹下介电常数为340而介电损耗却高于1。再如文献（Advanced Materials,2009,21:710）报道将纳米石墨片填充聚偏氟乙烯，在1000赫兹下填料含量高于阈值时，介电常数高达10⁷然而介电损耗高达200以上，在阈值附近介电常数仅为20，而介电损耗约为0.5。尽管这类复合材料在阈值附近表现出介电常数显著提高，然而由于导电网络的形成使得漏电损耗剧增，整体介电损耗也显著提高。因而，抑制聚偏氟乙烯/导电填料电介质复合材料的介电损耗仍然一个巨大挑战。

针对目前的研究现状，需要一种创新方法，有效地提高聚偏氟乙烯/石墨烯纳米复合材料的介电常数并同时抑制其介电损耗。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种高介电聚偏氟乙烯/聚多巴胺包覆石墨烯纳米复合材料的制备方法。本发明采用溶液法将聚多巴胺包覆石墨烯和聚偏氟乙烯共混，得到填料分散均匀、界面相互作用良好、渗滤阈值低，高介电常数和低介电损耗的纳米复合材料，同时力学性能好，具有良好柔韧性和易加工性的特点。

本发明的技术方案包括以下步骤：

（1）将石墨原料添加到氧化剂，助氧化剂中，在浓硫酸中0-98℃下反应6-24h，经反复离心洗涤，得到分散在水中的氧化石墨烯。

(2) 取1重量份步骤（1）所得到氧化石墨烯，将其浓度配制成0.05-0.2%。

（3）向步骤（2）所得到的分散液中加入盐酸多巴胺，浓度配制成0.05-0.4%。

向步骤（3）所得混合体系中滴入氨水或pH缓冲液，调节pH值为碱性，搅拌使多巴胺聚合。

将步骤（4）所得混合体系反复离心洗涤，得到的聚多巴胺包覆氧化石墨烯经超声分散溶剂中。

向步骤（5）所得混合体系中加入还原剂，使氧化石墨烯还原成石墨烯。

将步骤（6）所得混合体系反复离心洗涤，经超声波处理分散在有机溶剂中，得到聚多巴胺包覆石墨烯。

将一定量聚偏氟乙烯溶于有机溶剂，加入步骤（7）所得聚多巴胺包覆石墨烯，搅拌均匀后超声波处理。

将步骤（8）所得混合体系倒入培养皿中，放入鼓风烘箱内烘干，经热压成型后得到聚偏氟乙烯/聚多巴胺包覆石墨烯纳米复合材料。

优选地，所述步骤（1）中石墨为天然石墨，制备得到的氧化石墨烯片层尺寸在0.5-20微米之间，厚度为1.0-1.2纳米。浓硫酸为98%浓硫酸，离心速率为5000-11000转/分钟，离心时间为6-15分钟。