CN102643445A

CN102643445A - 聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102643445A
Application number: CN2012101183956A
Authority: CN
Inventors: 朱基亮; 郑茂梅; 汪忠兴; 孙平; 曾子繁; 朱波; 王明松; 刘静; 梁爽
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: CN102643445B

Abstract

本发明涉及一种具有高介电常数的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料及其制备方法。该方法是将聚合物聚偏氟乙烯、钾盐和碳纳米管原料按设计质量比称量混合；在混合料中加入有机溶剂得混合液，将所得混合液均匀地倾倒在干净的平整玻璃片上，置于恒温箱中蒸发其中有机溶剂而成厚度为50～150μm的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料；该复合膜材料其相对介电常数在1kHz下高达10³～10⁶。本发明所制备的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料具有广泛的应用前景，可应用于聚合物电解质膜等。

Description

聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合膜材料及其制备技术，特别涉及一种具有高介电常数的聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)-钾盐-碳纳米管的复合膜材料及其制备方法，属于高介电复合膜材料领域。

背景技术

高介电材料由于其优良的介电性能，在固态电容器、微波介质元件上有着广泛的应用前景，如：动态随机存储器，大功率电容器等。而高介电陶瓷，如CaCu₃Ti₄O₁₂由于其良好的介电性能得到了广泛的重视。但是，高介电陶瓷虽然具有良好的介电性能，却有较大的脆性和需要极高的制备温度，因而限制了其应用，特别是在集成电路上的应用受到了较大限制。

而高介电聚合物基体复合材料拥有一定的韧性和远低于陶瓷的制备温度，且拥有远高于普通聚合物的介电常数而得到越来越多的关注。2000年清华大学的南策文课题组报道了具有高介电常数的PVDF-Ni复合材料，其介电常数为400，远高于纯PVDF的小于10的介电常数。之后该课题组还报道了Ni-BaTiO₃/PVDF三相复合材料，其介电常数高达800；宾州州立大学Q.M.Zhang等人在近几年报道了多种全聚合物复合材料在1kHz下拥有大于1000的介电常数。但是这些聚合物复合材料的介电常数依然远低于高介电陶瓷的介电常数。

近年来，对于高介电常数复合材料的研究的重点仍然是体材料。然而，随着现代器件发展的小型化和集成化，相对于体材料更为轻薄的膜材料表现出了它特有的优越性。2007年，Chen等人报道了在PVDF中加入乙炔黑(AB)，以DMF为溶剂，采用浸渍提拉法制成的PVDF/AB复合膜材料，其在1kHz下拥有大约50的介电常数，但这与高介电陶瓷及块体复合材料相比还有很大的差距。

所以，一种具有能与高介电陶瓷的介电常数相比拟的或者更高的高介电常数，且制备工艺简单、原料易得、成本低廉，能够大面积成膜且易于大规模生产的高介电常数复合膜材料及其制备技术需要尽快地研制出来，这也正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种制备工艺简单、原料易得、成本低廉、能够大面积成膜且易于大规模工业化生产的具有高介电常数的聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)-钾盐-碳纳米管复合膜材料的制备方法；以及用该方法制备的复合膜材料。该方法是将聚合物PVDF、钾盐、碳纳米管原料按设计质量比制备成混合物，再将此混合物制备成具有高介电常数的复合膜材料；所述方法获得的复合膜材料在1kHz下其相对介电常数高达10³～10⁶，远高于现有复合膜材料的小于100的介电常数。

为实现本发明的目的，本发明是采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提供的一种具有高介电常数的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料的制备方法，按照本发明，依次包括以下工艺步骤：

(1)将聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)、钾盐、碳纳米管原料按照设计质量比，即按PVDF∶钾盐∶碳纳米管＝1-x-y∶x∶y称量，x的范围为0.01～0.8，y的范围为0.005～0.1；

(2)将步骤(1)称量好的原料置于球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨6～24小时，然后将球磨所得的浆料取出，并置于恒温干燥箱中80℃下烘干成混合粉末；

(3)将步骤(2)所得的混合粉末中加入10ml～50ml有机溶剂得混合液体，用磁力搅拌器于50～100℃下搅拌该混合液体至其中的PVDF完全溶解，再用超声振荡器使该混合液体中钾盐和碳纳米管完全均匀地分散于其中，得到复合液体；

(4)将步骤(3)所得的复合液体缓慢倾倒在清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延，再将该载有复合液体的玻璃片静置于温度为70～100℃的恒温干燥箱中干燥10～24小时，使复合液体中的有机溶剂蒸发，即获得聚偏氟乙烯-钾盐-碳纳米管复合膜；

(5)将步骤(4)所获得的复合膜置于马弗炉中，并设定升温，保温，降温程序，在80～240℃下热处理30～480分钟，之后以20℃/h的降温速度冷却到室温，即制得具有高介电常数的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜；

(6)将步骤(5)所得的复合膜表面通过离子溅射仪溅射上金属电极，再将其放置24小时之后，测试其介电性能。

上述技术方案中，所述复合膜置于马弗炉中的热处理温度为220℃、处理时间为30分钟。

上述技术方案中，所述钾盐为碳酸钾(K₂CO₃)，或柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇·H₂O)，或氯化钾(KCl)。

上述技术方案中，所述有机溶剂为N-N二甲基甲酰胺(DMF)。

上述技术方案中，所述离子溅射仪为小型离子溅射仪，其溅射电流为2～4mA。

上述技术方案中，所述离子溅射仪所溅射的金属电极为金电极。

上述技术方案中，所述离子溅射仪一次溅射时间为50s，一面15次。

依本发明上述所述的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料的制备方法所制备的聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜材料，其厚度为50～150um，在1khz下其相对介电常数高达10³～10⁶。

本发明与现有技术相比具有以下特点及有益技术效果：

1、本发明的制备方法工艺简单，所用原料易得且成本低廉，碳纳米管用量极少，复合膜材料其介电性能却大幅度提高，且所需设备简单，制备工艺过程也简单易行，因而便于大规模工业化生产。

2、本发明的制备方法所制备的聚合物聚偏氟乙烯-钾盐-碳纳米管复合膜材料，它与普通的高介电陶瓷的介电常数相比较，不仅拥有更高的介电常数，还兼顾有较好的柔韧性和极低的制备温度。

3、本发明的制备方法所制备的聚合物聚偏氟乙烯-钾盐-碳纳米管复合膜材料与普通的体材料相比，更适合于小型化与集成化的现代器件的生产需求。

4、本发明的制备方法所制备的聚合物聚偏氟乙烯-钾盐-碳纳米管复合膜材料在1kHz下其相对介电常数高达10³～10⁶，远高于现有复合膜材料的小于100的介电常数；因此可应用于聚合物电解质膜的生产中。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明以下实施例中所用称量工具为电子天平，该电子天平为上海精科仪器技术有限公司生产的FA-1104N型电子分析天平；

所用磁力搅拌器为郑州英峪予华仪器有限公司生产CL-200型平板加热磁力搅拌器；

所用超声振荡器为昆山禾创超声仪器有限公司生产的KH-2200B型超声清洗器；

所用离子溅射仪为北京中科科仪技术发展有限责任公司生产的SBC-12型小型离子溅射仪；

所用恒温干燥箱为中国上海科析实验仪器厂生产的KXH101-2A型恒温干燥箱；

所用PVDF为成都中氟化学品有限公司生产。

以下实施例采用本发明所述的制备方法及工艺步骤制备具有高介电常数的聚合物聚偏氟乙烯-钾盐-碳纳米管复合膜材料。

实施例1：

将聚合物聚偏氟乙烯，碳酸钾，碳纳米管按照其质量比0.69∶0.3∶0.01称取原料，将称量好的原料置于尼龙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨16小时，将球磨后的浆料取出并在恒温干燥箱中80℃下烘干成混合粉末；在烘干后的混合粉末中加入20ml有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)得混合液体；将混合液体在磁力搅拌器上加热至50℃，搅拌使PVDF完全溶解；再用超声振荡器超声振荡至K₂CO₃和碳纳米管均匀分地散在混合液体中得复合液体，再将所得的复合液体倾倒在经去离子水和无水乙醇清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延；将载有复合液体的玻璃片放置在恒温干燥箱中70℃下烘24小时至有机溶剂完全挥发，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜；再将该复合膜置于马弗炉中，并设置好升温、保温、降温程序，使复合膜在240℃下热处理30min，再以20℃/小时的降温速度降至室温，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜材料。将该复合材料用小型离子溅射仪在其表面上溅射上一层金电极，其一次溅射时间为50s，一面15次；然后测试其在1khz下的介电性能。本实施例PVDF-K₂CO₃-碳纳米管的质量比为0.69∶0.3∶0.01，所制备的复合膜材料其相对介电常数见表1。

表1

实施例2：

将聚合物聚偏氟乙烯，碳酸钾，碳纳米管按其质量比0.89∶0.01∶0.1称取原料，将称量好的原料置于尼龙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨24小时，将球磨后的浆料取出并在恒温干燥箱中80℃下烘干，在烘干后的混合粉末中加入10ml有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)得混合液体，将混合液体在磁力搅拌器上加热至70℃，搅拌使混合液体中的PVDF完全溶解；再用超声清洗器超声振荡至K₂CO₃和碳纳米管均匀地分散在混合液体中得复合液体，再将所得的复合液体倾倒在经去离子水和无水乙醇清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延；将载有复合液体的玻璃片放置在恒温干燥箱中80℃下烘20小时至有机溶剂完全挥发，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜，将该未经热处理的复合膜用小型离子溅射仪在其表面上溅射上-层金电极，其一次溅射时间为50s，一面15次；然后测试其在1khz下的介电性能。本实施例PVDF-K₂CO₃-碳纳米管的质量比为0.89∶0.01∶0.1，所制备的复合膜材料其相对介电常数见表2。

表2

实施例3：

将聚合物聚偏氟乙烯，碳酸钾，碳纳米管按其质量比0.58∶0.4∶0.02称取原料，将称量好的原料置于尼龙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨6小时；将球磨后的浆料取出并在恒温干燥箱中80℃下烘干，在烘干后的混合粉末中加入15ml有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)得混合液体；将混合液体在磁力搅拌器上加热至80℃，搅拌使混合液体中的PVDF完全溶解；再用超声清洗器超声振荡至K₂CO₃和碳纳米管均匀地分散在混合液体中得复合液体，再将所得的复合液体倾倒在经去离子水和无水乙醇清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延；将载有复合液体的玻璃片放置在恒温干燥箱中90℃下烘16小时至有机溶剂完全挥发，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜；将该复合膜置于马弗炉中并设置好升温、保温、降温程序，使所述复合膜在220℃下热处理60min，再以20℃/小时的降温速度降至室温，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜材料，将该经热处理后的复合膜材料用小型离子溅射仪在其表面上溅射上一层金电极，其一次溅射时间为50s，一面15次；然后测试其在1khz下的介电性能。本实施例PVDF-K₂CO₃-碳纳米管的质量比为0.58∶0.4∶0.02，所制备的复合膜材料其相对介电常数见表3。

表3

实施例4：

将聚合物聚偏氟乙烯，碳酸钾，碳纳米管按其质量比0.75∶0.2∶0.05称取原料，将称量好的原料置于尼龙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨18小时；将球磨后的浆料取出并在恒温干燥箱中80℃下烘干，在烘干后的混合粉末中加入10ml有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)得混合液体；将该混合液体在磁力搅拌器上加热至80℃，搅拌使混合液体中的PVDF完全溶解；再用超声清洗器超声振荡至K₂CO₃和碳纳米管均匀地分散在溶解后的混合液体中得复合液体，最后将所得的复合液体倾倒在经去离子水和无水乙醇清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延；将载有复合液体的玻璃片放置在恒温干燥箱中100℃下烘10小时至有机溶剂完全挥发，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜；将该复合膜置于马弗炉中并设置好升温、保温、降温程序，使其在150℃下热处理200min，再以20℃/小时的降温速度降至常温，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜材料，将该经热处理的复合膜材料用小型离子溅射仪在其表面上溅射上一层金电极，其一次溅射时间为50s，一面15次；然后测试其在1khz下的介电性能。本实施例PVDF-K₂CO₃-碳纳米管质量比为0.75∶0.2∶0.05，所制备的复合膜材料其相对介电常数见表4。

表4

实施例5：

将聚合物聚偏氟乙烯，柠檬酸钾，碳纳米管按其质量比0.61∶0.37∶0.02称取原料，将称量好的原料置于尼龙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨10小时；将球磨后的浆料取出并在恒温干燥箱中80℃下烘干，在烘干后的混合粉末中加入50ml有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)得混合液体；将混合液体在磁力搅拌器上加热至100℃，搅拌使混合液体中的PVDF完全溶解；再用超声清洗器超声振荡至柠檬酸钾和碳纳米管均匀地分散在混合液体中得复合液体，将所得的复合液体倾倒在经去离子水和无水乙醇清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延；将载有复合液体的玻璃片放置在恒温干燥箱中80℃下烘20小时至溶剂完全挥发，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜；将该复合膜置于马弗炉中并设置好升温、保温、降温程序，使其在80℃下热处理480min，再以20℃/小时的降温速度降至常温，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜，将该经热处理的复合膜用小型离子溅射仪在其表面上溅射上一层金电极，其一次溅射时间为50s，一面15次；然后测试其在1khz下的介电性能。本实施例PVDF-柠檬酸钾-碳纳米管质量比为0.61∶0.37∶0.02，所制备的复合膜材料其相对介电常数见表5。

表5

实施例6：

将聚合物聚偏氟乙烯，氯化钾，碳纳米管按其质量比0.195∶0.8∶0.005称取原料，将称量好的原料置于尼龙球磨罐中，以无水乙醇为介质，在常规球磨机上球磨10小时；将球磨后的浆料取出并在恒温干燥箱中80℃下烘干，在烘干后的混合粉末中加入30ml有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺(DMF)得混合液体；将混合液体在磁力搅拌器上加热至100℃，搅拌使混合液体中的PVDF完全溶解；再用超声清洗器超声振荡至氯化钾和碳纳米管均匀地分散在混合液体中得复合液体，将所得的复合液体倾倒在经去离子水和无水乙醇清洁干净的平整玻璃片上使其均匀流延；将载有复合液体的玻璃片放置在恒温干燥箱中80℃下烘20小时至溶剂完全挥发，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜；将该复合膜置于马弗炉中并设置好升温、保温、降温程序，使其在220℃下热处理30min，再以20℃/小时的降温速度降至常温，即得到聚合物PVDF-钾盐-碳纳米管复合膜，将该经热处理的复合膜用小型离子溅射仪在其表面上溅射上一层金电极，其一次溅射时间为50s，一面15次；然后测试其在1khz下的介电性能。本实施例PVDF-KCl-碳纳米管质量比为0.195∶0.8∶0.005，所制备的复合膜材料其相对介电常数见表6。

表6

Claims

1.一种具有高介电常数的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料的制备方法，其特征在于依次包括以下工艺步骤：

(1)将聚合物聚偏氟乙烯、钾盐、碳纳米管原料按照设计质量比，即按PVDF∶钾盐∶碳纳米管＝1-x-y∶x∶y称量，x的范围为0.01～0.8，y的范围为0.005～0.1；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述复合膜置于马弗炉中的热处理温度为220℃、处理时间为30分钟。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述钾盐为碳酸钾(K₂CO₃)，或柠檬酸钾(K₃C₆H₅O₇·H₂O)，或氯化钾(KCl)。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述有机溶剂为N-N二甲基甲酰胺(DMF)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述离子溅射仪为小型离子溅射仪，其溅射电流为2～4mA。

6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于所述离子溅射仪所溅射的金属电极为金电极。

7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于所述离子溅射仪一次溅射时间为50s，一面15次。

8.一种权利要求1～7项所述任一制备方法制备的聚合物-钾盐-碳纳米管复合膜材料，其特征在于该复合膜材料其厚度为50～150um，在1khz下其相对介电常数高达10³～10⁶。