CN103129070A - 微纳多层复合介电材料及其制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳多层复合介电材料及其制备方法及装置，它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中。本发明采用在聚合物基体中加入填料，采用专用聚合物微纳层叠共挤装置，制备获得具有微纳多层结构的聚合物介电膜，能有效提高填料的分散性，使改性填料在产品中均匀分散于聚合物基体中，达到控制聚合物介电性能的目的。本发明的制备过程无溶剂和粘结剂，生产成本低廉，绿色环保，可实现连续生产，获得产品介电常数明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学领域，尤其是一种高分子复合材料及其制备方法及装置。
背景技术
高介电材料具有优良的储存电能和均匀电场的性能，可以更好地应用于小体积、大容量的微型电容器、电子计算机记忆元件、热敏电阻、电磁屏蔽器件、电缆封端构件、电磁波吸收、水声探测器、航空航天器及潜艇等器件或设备中。传统的介电材料为陶瓷材料，易碎，成型困难。聚合物材料易于成型加工、但是介电常数较低，实用价值不大。通常，提高聚合物基复合材料介电常数的方法主要是，将高介电常数的陶瓷粉末利用特殊的复合工艺添加到聚合物基体中成复合材料。然而，由于材料自身的性能以及相关的提高介电常数的机理限制，致使高介电常数的复合材料需要高含量的陶瓷填充，聚合物性能下降明显。
发明内容
本发明的目的是：提供一种微纳多层复合介电材料及其制备方法及装置，它的介电常数能明显提高，聚合物力学性能无明显下降，制备工艺简单，生产成本低廉，环保性好，可实现连续生产，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：微纳多层复合介电材料，它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中；按重量份数计算，聚合物层与聚合物共混物层中的聚合物基体总量为70～99份，聚合物共混物层的填料为1～30份。
所述的聚合物层和聚合物共混物层的基体材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚偏二氟乙烯中的一种或几种的任意组合。
所述的填料为碳纳米管、钛酸钡、镍粉、铜粉、石墨、石墨烯、炭黑、聚苯胺、聚乙炔或聚酮酞菁中的一种或几种的任意组合。
微纳多层复合介电材料的制备方法，先将20～80份聚合物基体与填料混合后，加入到双螺杆挤出机中进行共混挤出，获得聚合物共混物层原料；将剩余的聚合物基体与聚合物共混物层原料分别加入专用聚合物微纳层叠共挤装置的不同挤出机中进行多层共挤，将挤出的薄膜材料进行热拉伸，获得交替聚合物与聚合物共混物的成品。在制备方法中，与填料混合进行混合的聚合物基体的用量是根据需要获得的产品层厚来进行选择的。
所述的聚合物层或聚合物共混物层的单层厚度为10nm～0.01mm。
专用聚合物微纳层叠共挤装置，包括四层分配器，在四层分配器的两侧分别连接有左侧单螺杆挤出机及右侧单螺杆挤出机，在四层分配器的出口上连接有四层倍增器，在四层倍增器的出口上连接有三层分配器，在三层分配器的出口上设有口模，在口模的下方设有三辊牵引装置。设置四层倍增器缩短了流道，减小挤出压力。
左侧单螺杆挤出机及右侧单螺杆挤出机与四层分配器之间设有熔体泵。熔体泵的作用是增加熔体流动稳定性，使薄膜层结构更稳定。
与现有技术相比，本发明采用在聚合物基体中加入填料，采用专用聚合物微纳层叠共挤装置，制备获得具有微纳多层结构的聚合物介电膜，在制备过程中，由于填料易团聚，因此通过采取控制倍增器个数控制聚合物多层材料的层数的方式，同时能有效提高填料的分散性，使改性填料在产品中均匀分散于聚合物基体中，达到控制聚合物介电性能的目的。本发明的制备过程无溶剂和粘结剂，生产成本低廉，绿色环保，可实现连续生产，获得产品介电常数明显提高。本发明的制备方法工艺简单、易操作，非常适宜工业化生产。
附图说明
附图1为本发明产品的结构示意图；
附图2为本发明的专用聚合物微纳层叠共挤装置的结构示意图；
附图3为本发明的工作流程框图。
具体实施方式
本发明的实施例1：微纳多层复合介电材料，它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中；按重量份数计算，聚合物层与聚合物共混物层中的聚合物基体总量为98.8份，聚合物共混物层的填料为1.2份；聚合物基体为聚偏二氟乙烯（PVDF），填料为多壁碳纳米管（MWNT）。
微纳多层复合介电材料的制备方法，先将50份PVDF与MWNT混合后，加入到双螺杆挤出机中进行共混挤出，获得PVDF/ MWNT共混物；将剩余的PVDF与PVDF/ MWNT共混物分别加入专用聚合物微纳层叠共挤装置的不同挤出机中进行多层共挤，将挤出的薄膜材料进行热拉伸，获得交替PVDF层8与PVDF/ MWNT层9的成品，PVDF/ MWNT层9中分布解缠的多壁碳纳米管10，多壁碳纳米管10呈线条状分散；所制备的PVDF层8或PVDF/ MWNT层9的单层厚度为50nm；所述的热拉伸具体是指，在薄膜材料从挤出机中挤出后，在挤出的薄膜材料温度还没有明显降低的情况下，通过三辊牵引装置牵引，采用快于挤出速度的牵引速度对薄膜材料进行牵引，使薄膜材料被拉伸至需要的状态。
专用聚合物微纳层叠共挤装置，包括四层分配器4，在四层分配器4的两侧分别连接有左侧单螺杆挤出机1及右侧单螺杆挤出机2，在四层分配器4的出口上连接有四层倍增器5，在四层倍增器5的出口上连接有三层分配器6，在三层分配器6的出口上设有口模7，在口模7的下方设有三辊牵引装置8；左侧单螺杆挤出机1及右侧单螺杆挤出机2与四层分配器4之间设有熔体泵3。
本发明的实施例2：微纳多层复合介电材料，它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中；按重量份数计算，聚合物层与聚合物共混物层中的聚合物基体总量为88份，聚合物共混物层的填料为12份；聚合物基体为聚偏二氟乙烯（PVDF），填料为改性聚苯胺（PANI）。
制备方法及采用的装置同实施例1。
本发明的实施例3：微纳多层复合介电材料，它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中；按重量份数计算，聚合物层与聚合物共混物层中的聚合物基体总量为80份，聚合物共混物层的填料为20份；聚合物基体为聚偏二氟乙烯（PVDF），填料为纳米钛酸钡（nBaTO3）。
制备方法及采用的装置同实施例1。
本发明的实施例4：微纳多层复合介电材料，它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中；按重量份数计算，聚合物层与聚合物共混物层中的聚合物基体总量为80份，聚合物共混物层的填料为20份；聚合物基体为聚丙烯（PP），填料为纳米钛酸钡（nBaTO3）。
为了验证本发明的效果，分别制备1层聚合物介电膜与1024层的微纳多层聚合物复合介电膜进行介电性能测试。介电常数和介电损耗的测试采用上海无仪电子设备有限公司的WY916介质损耗测试装置，依据GB/T 1409-2006进行测试。制备的样品测试结果如表1所示：
表1
根据表1的测试结果表明，采用本发明制备的微纳多层聚合物复合介电膜介电性能优异，介电常数大幅提高，介电损耗较低，具有很大的使用价值。
Claims (7)
1.一种微纳多层复合介电材料，其特征在于：它包括聚合物层与聚合物共混物层，聚合物层与聚合物共混物层之间为交替结构；在聚合物共混物层中，填料以球状、片状、线状或棒状中的一种或几种形态均匀分布在聚合物基体中；按重量份数计算，聚合物层与聚合物共混物层中的聚合物基体总量为70～99份，聚合物共混物层的填料为1～30份。
2.根据权利要求1所述的微纳多层复合介电材料，其特征在于：所述的聚合物层和聚合物共混物层的基体材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚偏二氟乙烯中的一种或几种的任意组合。
3.根据权利要求1所述的微纳多层复合介电材料，其特征在于：所述的填料为碳纳米管、钛酸钡、镍粉、铜粉、石墨、石墨烯、炭黑、聚苯胺、聚乙炔或聚酮酞菁中的一种或几种的任意组合。
4.一种如权利要求1所述的微纳多层复合介电材料的制备方法，其特征在于：先将20～80份聚合物基体与填料混合后，加入到双螺杆挤出机中进行共混挤出，获得聚合物共混物层原料；将剩余的聚合物基体与聚合物共混物层原料分别加入专用聚合物微纳层叠共挤装置的不同挤出机中进行多层共挤，将挤出的薄膜材料进行热拉伸，获得交替聚合物与聚合物共混物的成品。
5.根据权利要求4所述的微纳多层复合介电材料的制备方法，其特征在于：所述的聚合物层或聚合物共混物层的单层厚度为10nm～0.01mm。
6.一种专用聚合物微纳层叠共挤装置，包括四层分配器（4），其特征在于：在四层分配器（4）的两侧分别连接有左侧单螺杆挤出机（1）及右侧单螺杆挤出机（2），在四层分配器（4）的出口上连接有四层倍增器（5），在四层倍增器（5）的出口上连接有三层分配器（6），在三层分配器（6）的出口上设有口模（7），在口模（7）的下方设有三辊牵引装置（8）。
7.根据权利要求6所述的专用聚合物微纳层叠共挤装置，其特征在于：左侧单螺杆挤出机（1）及右侧单螺杆挤出机（2）与四层分配器（4）之间设有熔体泵（3）。
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