CN103396548A

CN103396548A - 一种高介电聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料的制备方法

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Publication number: CN103396548A
Application number: CN2013103532104A
Authority: CN
Inventors: 杨阳; 熊锐; 刘雍; 石兢; 石彬; 牛牧; 林晶
Original assignee: Wuhan E-Sea Digital Engineering Co Ltd
Current assignee: Wuhan sea digital medical Polytron Technologies Inc
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: CN103396548B

Abstract

本发明公开了一种高介电聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料的制备方法，该方法是以聚合物为基质制备，将钛酸铜钙纳米线在无水乙醇中进行超声分散之后，与聚酰亚胺单体共混于溶剂中，然后在室温下使单体进行原位聚合反应，同时实现聚酰亚胺的共聚以及与钛酸铜钙纳米线的插层复合，所得的原液采用涂膜法，经过梯度退火即得到聚酰亚胺/CCTO纳米线复合薄膜。使用本发明方法制备的聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料与纯的聚酰亚胺相比，其介电常数提高25倍，且具有较低的介质损耗（0.015），在高储能电容器、人造器官以及高速集成电路等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高介电聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高介电聚酰亚胺/钛酸铜钙（CCTO）纳米线复合材料的制备方法，属于电子材料领域。

背景技术

聚合物由于其优良的电、热和延展性能在电容器、集成电路以及高电压绝缘领域有着广泛的应用，然而介电常数低的特性限制了其进一步的发展。随着当今电子领域器件集成化和微型化的不断发展，需要提供同时具备高介电常数和低介质损耗的新材料来满足要求。

为了获得所需的高性能材料，目前普遍采用方法是对聚合物材料进行掺杂改性，常用的的掺杂方法主要有两种。一种是以聚合物为基底，将具有高介电常数的铁电陶瓷颗粒与其复合，来制备聚合物/铁电陶瓷复合材料。但该方法存在一些问题，一是合成的复合材料其介电常数不够高（通常小于50），达不到实际应用的需求。复合材料的介电常数会随着陶瓷颗粒的掺杂量的增加而增加，但是过高的掺杂量又会导致复合材料柔韧性和其他机械性能的降低。为了在较低的掺杂量下获得各方面性能优良的复合材料，需要寻找具有更高介电常数的材料；二是铁电材料具有电致伸缩效应，长时间的使用会带来复合材料疲劳，降低器件的寿命；三是所用陶瓷大都是含铅的一类材料，这不可避免的给环境带来了污染，因此需要寻找无铅的高介电常数材料来作为替代；四是所用陶瓷颗粒大小大都在微米级别，与聚合物大分子复合时存在插层困难的问题，使得复合体系中两相的相互作用区域小，相容性差，从根本上导致了材料的介电性能提升空间有限。

另外一种方法是掺入高电导率的纳米材料（金属纳米颗粒或者纳米碳纤维等）来制备纳米电介质复合材料，该复合材料由于其优良的性能，在近十年来得到了广泛的关注也取得了很多成果，但是存在的问题是由于逾渗理论的影响，材料在逾渗阈值附近会发生从绝缘体到导体的相变，从而导致其介质损耗大幅度的增加，给实际应用带来了困难。

无铅环保材料钛酸铜钙（CCTO）由于其反常的巨介电常数和低损耗，在近几年来得到越来越多的关注，其制备方法包括传统的固相反应和湿化学方法。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达 400℃以上，长期使用温度范围－200℃～300℃，特别适合在苛刻的环境中工作使用，在工程领域，微电子领域具有广泛的应用。目前对于聚酰亚胺与钛酸铜钙（CCTO）复合材料的报道很少，已知的报道为聚酰亚胺/微米CCTO复合材料，其在较高的掺杂比例（40vol% CCTO）下介电常数仍然很低（49）且介电损耗较高（0.24），所用微米级别的CCTO其制备方法采用传统的固相反应法，该方法需要较高的温度（大于1000度）且耗时较长（大于24小时），另外所制备出的微米CCTO其分散性较差，大分子插层较为困难。

我们采用CCTO纳米线作为掺杂剂，可以很好地解决上述问题。CCTO纳米线制备方法简单，其展弦比（长度/半径）高，存在特殊的相互作用，可以与聚合物基质形成均匀而牢固的结合并有效的降低逾渗阈值，与传统的大尺寸颗粒（宏观或微米）复合材料相比，其性能会有非常显著的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高介电聚酰亚胺/钛酸铜钙（CCTO）纳米线复合材料的制备方法。CCTO纳米线的展弦比高，可以有效地降低逾渗阈值，解决聚合物与大尺寸颗粒（宏观或微米）复合时存在的相容性差和大分子插层困难的问题，提高聚酰亚胺与CCTO纳米线之间的相容性，促进聚酰亚胺大分子与CCTO纳米线的结合，从而获得具备优良性能的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料。

本发明方法首先采用湿化学法和电纺方法来制备分散性较好的CCTO纳米线，然后利用CCTO纳米线对聚酰亚胺薄膜进行掺杂，来提高其介电常数。

本发明的高介电聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的制备方法，通过以下步骤完成：

（1）用湿化学法和电纺方法制备钛酸铜钙纳米线；

（2）将钛酸铜钙纳米线分散均匀之后，分别与均苯四羟酸二酐（PMDA）和二氨基二苯醚（ODA）混合，均苯四羟酸二酐（PMDA）和二氨基二苯醚（ODA）的摩尔比为1:1～1.2:1，CCTO纳米线的质量为均苯四羟酸二酐和二氨基二苯醚质量之和的1%～30%，在隔绝氧气条件下，于20～40℃原位聚合反应4～12小时得到聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料的原液；

（3）将上述原液用涂膜法处理，在60℃～300℃范围内进行梯度退火，退火后浸入蒸馏水中，揭下复合薄膜，用蒸馏水冲洗干净后烘干得到聚酰亚胺/CCTO纳米线复合薄膜。

步骤（1）所制备出的CCTO纳米线的直径为200纳米～300纳米，长度为5～10微米。

步骤（2）所述将CCTO纳米线分散均匀，过程为：首先在研钵中将钛酸铜钙纳米线团块研碎处理0.5小时～2小时，然后将研碎后的粉体加入无水乙醇中超声1小时～2小时，在50度～90度下烘干处理得到分散均匀的CCTO纳米线。

步骤（2）先将CCTO纳米线粉末与二氨基二苯醚（ODA）于N,N-二甲基乙酰胺中(DMAC)中混合，超声0.5小时之后再与均苯四羟酸二酐（PMDA）混合，或者先将CCTO纳米线粉末与均苯四羟酸二酐（PMDA）于N,N-二甲基乙酰胺中(DMAC)中混合，超声0.5小时之后再与二氨基二苯醚（ODA）混合。

步骤（2）所述隔绝氧气条件可以采用氮气气氛或惰性气氛或者真空条件。

步骤（3）所述的涂膜法处理所用基板为表面光滑且厚度均匀的玻璃板、硅片或者其他具有较高熔点的材料。

步骤（3）中梯度退火可以在60℃， 100℃， 200℃， 300℃下分别保温1小时，升温速率保持在0.5℃/min～2℃/min，然后自然降温。

本发明的原理是：利用CCTO纳米线展弦比大的优点，使其与聚酰亚胺的两种单体混合，一方面单体与纳米线共混复合，另一方面两种单体进行原位聚合得到聚酰亚胺分子长链，结果使得聚酰亚胺长链和CCTO纳米线之间形成良好的结合，且纳米线高的展弦比值可以有效的降低逾渗阈值，使得通过掺杂较小的比例就可以获得高的介电常数和低的介电损耗。所制备的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的介电性能得到显著的提高。

本发明方法制作出的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料，与纯相的聚酰亚胺薄膜相比，最高的介电常数值提高了约25倍（85），且同时保持低的介电损耗（0.015）。该复合材料有利于满足当今电容器和电子器件的集成化的需求，为以后便携器材的制备带来了新的前景，同时将会在高密度能量存储、高性能绝缘隔层以及薄膜器件等一系列高新技术领域中获得广泛的应用。

与现有技术相比，本发明提供的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的制备方法具有以下优点：其一，由于是使用湿化学法和电纺方法来合成CCTO纳米线，其合成方法相对简单，耗时短（2小时）且烧结温度（850度）比传统的固相反应（1000度）低，因而能耗会有大幅度的降低，节约了人力、物力和能源。相对于固相反应，反应物在溶液中混合的更为均匀，生成的CCTO纳米线长度分布均匀且分散性好，其扫描电镜图见图2；其二，无铅CCTO纳米线颗粒对环境无污染，且不具有电致伸缩效应，掺入聚合物中制备的复合薄膜，长时间的使用也不会导致材料的机械疲劳；其三，CCTO纳米线具有较高的介电常数，因此，在掺杂量低的情况下可以使得复合材料具有高的介电常数，保持了材料的柔韧性；其四，CCTO纳米线高的展弦比可以有效的降低逾渗阈值，使得提高介电常数的同时保持了低的介电损耗和良好的机械性能，进而大幅度的提高复合材料的性能，达到实际应用的目的；最后，采用原位聚合法将CCTO纳米线颗粒与聚酰亚胺复合，该方法成本较低，制备工艺简单，成膜性较好且大小可控，可实现连续、规模化生产。

附图说明

图1是本发明的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料制备方法的流程图。

图2是制备出的CCTO纳米线的扫描电镜图（左）和透射电镜图（右）。

图3是制备出的CCTO纳米线的XRD图与标准卡片的对比。

图4是本发明制备出的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的结构示意图。

图5包括实施例1、实施例2和实施例3制得的复合材料与聚酰亚胺和CCTO纳米线对比的XRD图。

图6包括实施例1、实施例2和实施例3制得的复合材料以及聚酰亚胺在室温下的介电常数与频率的关系图。

图7包括实施例1、实施例2和实施例3制得的复合材料以及聚酰亚胺在室温下的介质损耗值与频率的关系图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的制备方法，请参阅图1。

采用电纺方法制备CCTO纳米线，该方法具体包括以下步骤：

（一）使用电子天平称出0.208g硝酸钙，将其与0.528g乙酸铜混合并加入20ml无水乙醇中，在烧杯中磁力搅拌混合均匀，此时液体呈透明蓝绿色。

（二）将上述混合物中加入1.2ml钛酸丁酯和0.4ml乙酸，搅拌反应30分钟。

（三）继续加入1.5g聚乙烯基吡咯烷酮均聚物（PVP，分子量为130万），在加入的过程中，应缓慢加入，避免液体内结块，搅拌直到烧杯中无固体颗粒存在，此时溶液为粘稠的绿色。

（四）将上述粘稠溶液注入注射器中，并夹在螺旋推进器上，针尖加上高压，收集板接地，控制推进器的速度在1.2毫升/小时，电压为10Kv，会在收集板上得到制备好的CCTO前驱体。

（五）将制得的CCTO前驱体放入马弗炉中，850摄氏度下退火2个小时得到CCTO纳米线。

该CCTO纳米线为颗粒大小分布在200～300纳米之间，且成晶性较好、分散均匀，通过控制反应物的比例，生成的CCTO纳米线颗粒不含杂质，如二氧化钛或者未反应完全的氧化铜等。可以理解的是本实施例提供的CCTO纳米线不限于上述制备方法。

图2为用湿化学方法制备的CCTO纳米线颗粒的扫描电镜图，由图可以看出CCTO纳米线的直径分布在200～300纳米之间，长度在5～10微米之间，且纳米线之间无大范围的团聚现象发生，分散较为均匀。

图3是用湿化学方法制备的CCTO纳米线的XRD图与标准卡片的对比，从图谱上可以看出CCTO纳米线与标准卡片符合的很好，没有其他的杂质峰出现，表明了所制备的CCTO纳米线为纯相。

实施例1

a）按图1中的流程，称取2.554克的二氨基二苯醚（ODA）加入盛有7.4毫升N,N-二甲基乙酰胺中(DMAC)溶液的三颈瓶中。

b）称取0.048克的CCTO纳米线粉末（质量分数为1%）加入上述混合液中，边加边进行磁力搅拌。

c）将b)所得的溶液放入超声分散器中2小时，使溶液混合均匀。

d）称取2.835克的均苯四羟酸二酐（PMDA）加入混合液中，边加边进行磁力搅拌，然后在通氮气保护的环境中，在室温下反应4小时得到聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的原液。

e）将复合材料的原液倒在玻璃基板上，使之展开铺平，放入马弗炉中，在真空环境下梯度退火，依次在60℃、100℃、200℃和300℃下保温1小时，然后自然降温，升温速率为2℃/min。

f）将带有复合材料的玻璃基板浸入蒸馏水中30分钟，然后用镊子揭下薄膜，用蒸馏水冲洗干净后放入烘箱内，在60度下保温2小时烘干得到聚酰亚胺/CCTO纳米线复合薄膜。

图5中为所制备的复合材料的XRD图，从图谱可以看出，CCTO纳米线和聚酰亚胺两相结合的很好，且没有其他的杂质峰出现。

图6中为所制备的复合材料在室温下的介电常数值，由图中可以看出，复合薄膜介电常数与原始聚酰亚胺相比有所提高，在100Hz时从3.5提高到了12。

图7中为所制备的复合材料在室温下的介质损耗值，由图中可以看出，100Hz时介质损耗为0.008，与原始聚酰亚胺相比有所增加，但是仍保持在较低的水平。

实施例2

a）按图1中的流程，称取2.554克的二氨基二苯醚（ODA）加入盛有74毫升N,N-二甲基乙酰胺中(DMAC)溶液的三颈瓶中。

b）称取制得的0.154克的CCTO纳米线粉末（质量分数为3%）加入上述混合液中，边加边进行磁力搅拌。

d）称取2.835克的均苯四羟酸二酐（PMDA）加入混合液中，边加边进行磁力搅拌，然后在通氮气保护的环境中，在室温下反应12小时得到聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的原液。

图6中为所制备的复合材料在室温下的介电常数值，由图中可以看出，介电常数与原始聚酰亚胺相比有了大幅度的提高，100Hz时从3.5提高到了85。

图7中为所制备的复合材料在室温下的介质损耗值，由图中可以看出，100Hz时介质损耗为0.015，与原始聚酰亚胺相比有所增加，但是仍保持在较低的水平，此实施例中的介电常数和介质损耗均满足实际应用的需求。

实施例3

b）称取制得的0.499克的CCTO纳米线粉末（质量分数为8%）加入上述混合液中，边加边进行磁力搅拌。

d）称取2.835克的均苯四羟酸二酐（PMDA）加入混合液中，边加边进行磁力搅拌，然后在通氮气保护的环境中，在室温下反应8小时得到聚酰亚胺/CCTO纳米线复合材料的原液。

图6中为所制备的复合材料在室温下的介电常数值，由图中可以看出，介电常数与原始聚酰亚胺相比有了大幅度的提高，100Hz时从3.5提高到了30。

图7中为所制备的复合材料在室温下的介质损耗值，由图中可以看出，100Hz时介质损耗为0.03，与原始聚酰亚胺相比有所增加，但是仍保持在较低的水平。

Claims

1.一种高介电聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）用湿化学法和电纺方法制备钛酸铜钙纳米线；

（2）将钛酸铜钙纳米线分散均匀之后，分别与均苯四羟酸二酐和二氨基二苯醚混合，均苯四羟酸二酐和二氨基二苯醚的摩尔比为1:1～1.2:1，钛酸铜钙纳米线的质量为均苯四羟酸二酐和二氨基二苯醚质量之和的1%～30%，在隔绝氧气条件下，于20～40℃原位聚合反应4～12小时得到聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合材料的原液；

（3）将上述原液用涂膜法处理，在60℃～300℃范围内进行梯度退火，退火后浸入蒸馏水中，揭下复合薄膜，用蒸馏水冲洗干净后烘干得到聚酰亚胺/钛酸铜钙纳米线复合薄膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所制备出的钛酸铜钙纳米线的直径为200纳米～300纳米，长度为5～10微米。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述将钛酸铜钙纳米线分散均匀，过程为：首先在研钵中将钛酸铜钙纳米线团块研碎处理0.5小时～2小时，然后将研碎后的粉体加入无水乙醇中超声1小时～2小时，在50～90℃下烘干处理得到分散均匀的钛酸铜钙纳米线。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）先将钛酸铜钙纳米线粉末与二氨基二苯醚于N,N-二甲基乙酰胺中混合，超声0.5～2小时之后再与均苯四羟酸二酐混合，或者先将钛酸铜钙纳米线粉末与均苯四羟酸二酐于N,N-二甲基乙酰胺中混合，超声0.5小时之后再与二氨基二苯醚混合。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述隔绝氧气条件采用氮气气氛或惰性气氛或者真空条件。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的涂膜法处理所用基板为表面光滑且厚度均匀的玻璃板或硅片。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中梯度退火在60℃， 100℃， 200℃， 300℃下分别保温1小时，升温速率保持在0.5℃/min～2℃/min，然后自然降温。