CN103435906A - 一种咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料及其制备方法，其中咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料是以咪唑基离子液体修饰碳纳米管和聚丙烯熔融共混后得到的复合材料，其中咪唑基离子液体修饰碳纳米管的体积为复合材料体积的9.5-12.5%，余量为聚丙烯；所述咪唑基离子液体修饰碳纳米管是将咪唑基离子液体和碳纳米管按质量比1-2:1的比例共混，除去溶剂并干燥研磨后得到的以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的改性碳纳米管。本发明复合材料在室温和100Hz频率下，具有介电常数90以上，介电损耗1以下的优异效果。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种电容材料，具体地说是一种咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料及其制备方法，属于高介电复合材料领域。
二、背景技术
随着微电子器件向小型化、薄膜化、功能化和集成化的方向发展，作为电容材料的高介电常数材料成为制约微电子器件朝着小型化迈进的关键因素，最大限度的提高材料介电常数、降低介电损耗是目前高介电常数材料研究的焦点。碳纳米管具有独特的结构、极高的导电性能、优异的力学性能和良好的化学稳定性，可提高复合材料的稳定性。因而以碳纳米管为导体的聚合物基高介电复合材料在高介电常数材料的制备与应用上一直受到国内外科研工作者特别的青睐。
目前主要采用非共价键修饰碳纳米管和共价键修饰，通过溶液超声分散、干燥后热压法，在碳纳米管表面原位聚合聚苯胺，形成核壳结构、三氟苯化碳纳米管等制备薄膜材料。2003年Fukushima等在Science上报道在室温下将咪唑类离子液体和单壁碳纳米管经过简单的机械研磨后能即能对碳纳米管实施表面包覆，完全可以得到均匀分散的离子液体修饰碳纳米管复合物。离子液体修饰碳纳米管复合物改性聚苯乙烯、氯丁橡胶提高碳纳米管在聚合物基体中分散性和改善电学性能。这些修饰碳纳米管方法提高碳纳米管在基体中的分散，增强与聚合物基体的界面作用；同时在碳纳米管表面修饰或包覆填充物形成绝缘层限制了导体内电子的运动。
三、发明内容
本发明旨在提供一种咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料及其制备方法，以提高复合材料的介电常数、降低介电损耗。
本发明咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料，简称为复合材料，其特征在于：
是以咪唑基离子液体修饰碳纳米管和聚丙烯熔融共混后得到的复合材料，其中咪唑基离子液体修饰碳纳米管的体积为复合材料体积的9.5-12.5%，余量为聚丙烯；
所述咪唑基离子液体修饰碳纳米管是将咪唑基离子液体和碳纳米管按质量比1-2:1的比例共混，除去溶剂并干燥研磨后得到的以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的改性碳纳米管；咪唑基离子液体和碳纳米管的质量比优选1:1。
所述咪唑基离子液体选自1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体或1-十八烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体。
本发明咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料的制备方法，包括碳纳米管的修饰和熔融共混各单元过程，其特征在于：
所述碳纳米管的修饰是将咪唑基离子液体加到溶剂氯仿中，然后加入碳纳米管，搅拌混合均匀，除去溶剂并干燥研磨后得到咪唑基离子液体修饰碳纳米管（简称改性碳纳米管），是以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的核壳结构；
所述熔融共混是将聚丙烯和所述改性碳纳米管加入转矩流变仪中于170-190℃熔融共混得混合料；将所述混合料通过真空压膜机压制成复合介电膜，即得复合材料。
所述咪唑基离子液体选自1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体或1-十八烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体。
碳纳米管的修饰过程中所述搅拌混合均匀是采用机械搅拌和超声分散相结合的方式。
碳纳米管的修饰过程中所述除去溶剂并干燥是首先在60℃挥发溶剂20-30分钟，然后升温至110℃干燥1-1.5小时。
压膜参数为：压制温度170-200℃、压强10-20MPa，保压时间10-20min。
本发明咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料的制备工艺过程如下：
1）将咪唑基离子液体加到溶剂氯仿中，然后加入碳纳米管，机械搅拌并超声波震荡1小时；随后先60℃挥发溶剂20-30分钟，然后将温度升至110℃干燥1-1.5小时，研磨后形成以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的核壳结构的改性碳纳米管。
2）按照不同体积百分比称取聚丙烯颗粒和改性碳纳米管，加入到转矩流变仪中进行熔融共混得混合料。
3）将所述混合料通过真空压膜机压制成复合介电膜，压制温度为170-200℃、压强为10-20MPa，保压时间10-20min，即为复合材料。
本发明首先以咪唑基离子液体表面修饰碳纳米管，形成纳米核/壳结构的改性碳纳米管，以提高碳纳米管在聚丙烯基体中的分散性能，增强与聚合物基体的界面作用，提高介电常数；同时由于咪唑基离子液体的长链有机基团绝缘边界层限制了导体内电子的运动，可以保证复合材料具有低的介电损耗。本发明复合材料在室温和100Hz频率下具有介电常数90以上，介电损耗1以下的优异效果。
四、附图说明
图1为碳纳米管和改性碳纳米管（咪唑基离子液体和碳纳米管质量比为1:1）的拉曼光谱曲线。从图1中可以看出，碳纳米管G峰（1580cm-1左右）和D峰（1350cm-1左右）发生变化以及ID/IG强度比增大的主要原因是由于离子液体阳离子与碳纳米管表面的碳六元环结构通过π键相互作用时，减少了表面碳环的键角，同时增强了碳纳米管表面石墨态的振动密度。
图2为本发明复合材料断面的扫描电子显微镜照片。从图2中可以看出，咪唑基离子液体修饰碳纳米管均匀分布在聚丙烯基体中。
图3为实施例1、2、3中制备的复合材料的介电常数与频率的关系。从图3中可以看出，离子液体修饰碳纳米管的含量不高于12.5%，复合材料的介电常数随着咪唑基离子液体修饰碳纳米管添加量的增大而增大。
图4为实施例1、2、3中制备的复合材料的介电损耗与频率的关系。从图4中可以看出，复合材料的介电损耗随着咪唑类基离子液体修饰碳纳米管添加量增大变化较小，并且介电损耗较低。
五、具体实施方式
实施例1：
1）将1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体加到溶剂氯仿中，然后加入碳纳米管，咪唑基离子液体和碳纳米管的质量比为1:1，机械搅拌并超声波震荡1小时；随后先60℃挥发溶剂20分钟，然后将温度升至110℃干燥1小时，研磨后形成以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的改性碳纳米管。
2）称取聚丙烯颗粒，按照改性碳纳米管和聚丙烯颗粒的体积百分比为9.6：90.4，加入到转矩流变仪中于170-190℃进行熔融共混得混合料。
3）将所述混合料通过真空压膜机压制成复合介电膜，压制温度为170-200℃、压强为10-20MPa，保压时间10-20min，即为复合材料。
在本实施例制备的复合材料的表面涂导电银胶，用日本日置电机株式会社的3532-50型LCR测量仪测试样品的介电性能。介电性能测试如图3、图4所示。
实施例2：
1）将1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体加到溶剂氯仿中，然后加入碳纳米管，咪唑基离子液体和碳纳米管的质量比为1:1，机械搅拌并超声波震荡1小时；随后先60℃挥发溶剂20分钟，然后将温度升至110℃干燥1小时，研磨后形成以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的改性碳纳米管。
2）称取聚丙烯颗粒，按照改性碳纳米管和聚丙烯颗粒的体积百分比为11.1：88.9，加入到转矩流变仪中于170-190℃进行熔融共混得混合料。
3）将所述混合料通过真空压膜机压制成复合介电膜，压制温度为170-200℃、压强为10-20MPa，保压时间10-20min，即为复合材料。
在本实施例制备的复合材料的表面涂导电银胶，用日本日置电机株式会社的3532-50型LCR测量仪测试样品的介电性能。介电性能测试如图3、图4所示。
实施例3：
1）将1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体加到溶剂氯仿中，然后加入碳纳米管，咪唑基离子液体和碳纳米管的质量比为1:1，机械搅拌并超声波震荡1小时；随后先60℃挥发溶剂20分钟，然后将温度升至110℃干燥1小时，研磨后形成以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的改性碳纳米管。
2）称取聚丙烯颗粒，按照改性碳纳米管和聚丙烯颗粒的体积百分比为12.4：87.6，加入到转矩流变仪中于170-190℃进行熔融共混得混合料。
3）将所述混合料通过真空压膜机压制成复合介电膜，压制温度为170-200℃、压强为10-20MPa，保压时间10-20min，即为复合材料。
在本实施例制备的复合材料的表面涂导电银胶，用日本日置电机株式会社的3532-50型LCR测量仪测试样品的介电性能。介电性能测试如图3、图4所示。
从图3中可以看出，复合材料的介电常数随着咪唑基离子液体修饰碳纳米管添加量增大而增大。从图4中可以看出，复合材料的介电损耗随着咪唑类基离子液体修饰碳纳米管添加量增大变化较小，并且介电损耗较低，介电常数90以上，介电损耗1以下。
Claims (7)
1.一种咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料，其特征在于：
是以咪唑基离子液体修饰碳纳米管和聚丙烯熔融共混后得到的复合材料，其中咪唑基离子液体修饰碳纳米管的体积为复合材料体积的9.5-12.5%，余量为聚丙烯；
所述咪唑基离子液体修饰碳纳米管是将咪唑基离子液体和碳纳米管按质量比1-2:1的比例共混，除去溶剂并干燥研磨后得到的以碳纳米管为核、咪唑基离子液体为壳的改性碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：
所述咪唑基离子液体选自1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体或1-十八烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体。
3.一种权利要求1所述的咪唑基离子液体修饰碳纳米管/聚丙烯复合材料的制备方法，包括碳纳米管的修饰和熔融共混各单元过程，其特征在于：
所述碳纳米管的修饰是将咪唑基离子液体加到溶剂氯仿中，然后加入碳纳米管，搅拌混合均匀，除去溶剂并干燥研磨后得到改性碳纳米管；
所述熔融共混是将聚丙烯和所述改性碳纳米管加入转矩流变仪中于170-190℃熔融共混得混合料；将所述混合料通过真空压膜机压制成复合介电膜，即得到复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：
所述咪唑基离子液体选自1-十四烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体、1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体或1-十八烷基-3-甲基咪唑溴盐离子液体。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：
碳纳米管的修饰过程中所述搅拌混合均匀是采用机械搅拌和超声分散相结合的方式。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：
碳纳米管的修饰过程中所述除去溶剂并干燥是首先在60℃挥发溶剂20-30分钟，然后升温至110℃干燥1-1.5小时。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：
压膜参数为：压制温度170-200℃、压强10-20MPa，保压时间10-20min。
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