CN104672502B - 氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜及其制备方法，目的是为了提供一种具有高介电常数、低介电损耗、良好机械性能和热稳定性的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜及其制备方法。一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜以氰乙基纤维素为基质，以陶瓷填料、导电填料为辅料，配制成溶液，经流延成膜制得。本发明具有如下有益效果：原料来源广泛、可再生；产品介电常数高，介电损耗相对较低，可应用于电子、电机和电缆行业，并在人工肌肉、吸波材料和药物释放等领域也有一定的应用前景；产品表面有光泽，具有一定的柔韧性，并具有良好的机械性能和热稳定性；生产方法安全，工艺流程简单，生产成本低，市场前景良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜及其制备方法，属于材料领域。
背景技术
具有高介电常数的聚合物基复合材料由于在高能量存储设备、电容器、制动器等领域具有广泛的应用而受到越来越多的重视。由于聚合物具有高的击穿强度、低的介电损耗、良好的加工性能和低的成本，因而其常用于能量存储。然而，普通聚合物的介电常数非常低，因此，在保留聚合物自身良好性能的基础上提高其介电常数就成为一个重要的课题。一个简单的方法是在聚合物基质中添加具有高介电常数的陶瓷填料，但采用这种方法，即使添加高含量的陶瓷填料也难以得到介电常数高于100的复合材料，并且高的填料含量会使复合材料具有高的质量密度、更多的孔洞及差的柔韧性。另一个常用的方法是在聚合物基质中添加导电填料，如碳纳米管、炭黑、石墨烯、碳纤维、金属颗粒等。在这些导电填料中，由于碳纳米管具有极高的纵横比和大的比表面积，其在复合材料中具有更低的渗流阈值，因此受到更多的关注。根据渗流理论，当碳纳米管的添加量接近其渗流阈值时，复合材料的介电常数能够显著增加。然而，由于碳纳米管之间存在强的范德华力，因此它们非常容易聚集，从而导致其在复合材料中分散性很差。对碳纳米管进行表面改性或功能化能够有效阻止它们的聚集，从而实现它们在复合材料中的均匀分散，但这些方法可能会破坏碳纳米管的导电网络，从而造成其电性能显著降低，因此采用这些方法来提高复合材料的介电常数并不理想。近年来，通过在聚合物/碳纳米管复合材料中添加另一种填料，如纳米级钛酸钡来改善碳纳米管的分散性，能够实现碳纳米管均匀分散，并且不会破坏碳纳米管固有的性能。
当前，用作高介电常数复合材料基质的聚合物主要包括聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物、聚酰亚胺、环氧树脂、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。在这些聚合物中，除了PVDF及其共聚物外，其他聚合物的介电常数都小于5。近年来，PVDF及其共聚物作为高介电常数材料已经被广泛地研究，并且以它们为基质，添加各种各样的陶瓷填料和导电填料，制备复合材料也已经得到了充分地研究。此外，在聚合物中同时添加钛酸钡和碳纳米管，制备高介电复合材料也已经有一些报道。专利CN03104776.9采用热压法制备了聚偏氟乙烯/钛酸钡/碳纳米管高介电复合材料，其具有较高的介电常数，但其填料的添加量较高，且其制备是在一定的温度和压力下进行，条件要求较高。Yao S-H等利用两步混合方法制备了聚偏氟乙烯/钛酸钡/多壁碳纳米管高介电复合材料，复合材料在102Hz的最大介电常数为151(Yao S-H,Dang Z-M,Jiang M-J,et al.BaTiO3-carbon nanotube/polyvinylidene fluoridethree-phase composites with high dielectric constant and low dielectric loss[J].Applied Physics Letters,2008,93(18).)。Dang Z-M等同样采用简单的溶液混合方法制备了聚偏氟乙烯/钛酸钡/多壁碳纳米管高介电复合材料，该复合材料的介电常数显著增加，而介电损耗增加更显著，增加了几个数量级(Dang Z-M,Yao S-H,Yuan J-K,etal.Tailored Dielectric Properties based on Microstructure Change in BaTiO3-Carbon Nanotube/ Polyvinylidene Fluoride Three-Phase Nanocomposites[J].Journal Of Physical Chemistry C,2010,114(31):13204-13209.)。Huang X等通过溶液浇铸方法结合超声分散技术制备了聚芳醚腈/钛酸钡/多壁碳纳米管纳米复合膜，该复合膜在102Hz的最大介电常数低于100(Huang X,Pu Z,Tong L,et al.Novel PEN/BaTiO3/MWCNTMulticomponent Nanocomposite Film with High Thermal Stability for CapacitorApplications[J].Journal Of Electronic Materials,2013,42(4):726-733.)。专利CN201310048705.6采用静电纺丝和静电喷雾制备了聚合物/钛酸钡/碳纳米管高介电纳米复合纤维膜，该方法需要使用静电纺丝机和静电喷雾装置，工艺较复杂。专利CN201110439922.9以环氧树脂为基质，制备了环氧树脂/钛酸钡纳米线/镍改性的单壁碳纳米管吸波材料。专利CN201310038140.3采用机械共挤出的方法制备了聚合物/钛酸钡/碳纳米管微纳多层复合介电材料，该方法需要使用特殊的装置。专利CN201310188659.X通过原位聚合的方法制备了钛酸钡改性碳纳米管/聚亚苯基苯并二噁唑三元复合材料，其具有良好的微波吸收性能。胡志伟等制备了乙烯-羧酸乙烯酯/钛酸钡/碳纳米管纳米复合材料，其使用的钛酸钡采用硅烷偶联剂进行改性，尽管复合材料在渗流阈值附近介电常数显著提高，但其介电损耗也显著提高(胡志伟等.多壁碳纳米管对聚合物/钛酸钡纳米复合材料的介电与导热性能的影响[J].绝缘材料,2013,46(5):58-61,65.)。李俊漾等采用改进的溶胶-凝胶法制备了聚二甲基硅氧烷/钛酸钡/碳纳米管复合压电薄膜(李俊漾等.基于BTO/CNTs复合压电薄膜制备[J].传感器与微系统,2013,32(11):75-78.)。这些研究中所使用的聚合物都是以石油为原料制备的高分子材料，都难以降解，且原料不可再生，因此，开发新型的、原料来源广泛的聚合物基高介电材料是一个必然的趋势。
氰乙基纤维素(CEC)是一类重要的纤维素醚，它是纤维素经碱化后与丙烯腈通过Michael加成反应制得的。CEC具有高介电常数的独特性能，高取代度的CEC还具有高防水性、高绝缘性和自熄性等特点。CEC能够应用于很多领域，如纺纱、乳化剂、非离子型表面活性剂、场致发光材料，是研制大屏幕电视发射屏、新型雷达荧光屏、光学武器整机中小型激光电容器的最佳材料之一。纤维素属于自然界分布最广、储量最大的天然高分子，可完全生物降解，无污染，是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，是公认的未来能源、化工的主要原料。因此，开发氰乙基纤维素基高介电材料具有明显优势。目前，以氰乙基纤维素作为基材制备高介电复合材料的报道还很少，专利CN201310089200.4以氰乙基纤维素为基材，制备了氰乙基纤维素/石墨烯复合材料。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有高介电常数、低介电损耗、良好机械性能和热稳定性的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜及其制备方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜，包含如下重量组分：氰乙基纤维素10份、陶瓷填料2～9份、导电填料0.2～1.2份、溶剂568.8份；所述纳米复合膜以氰乙基纤维素为基质，以陶瓷填料、导电填料为辅料，配制成溶液，经流延成膜制得。
进一步的，所述的氰乙基纤维素的原料为天然纤维素。
进一步优选的，所述的氰乙基纤维素，其取代度为2.43～2.57。
进一步优选的，所述的陶瓷填料为钛酸钡。钛酸钡的加入在提高氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜介电性能的同时，也能够阻止多壁碳纳米管聚集，使多壁碳纳米管均匀分散在纳米复合膜中。当然陶瓷填料也可以是其他陶瓷填料，如钛酸铜钙(CCTO)、钛酸铅、二氧化硅、钛酸锆、二氧化钛等。
进一步的，所述的钛酸钡粒径约为100±5nm。
进一步的，所述的导电填料为多壁碳纳米管，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。N,N-二甲基甲酰胺即DMF。
进一步优选的，所述多壁碳纳米管的直径为20～30nm，长度为10～20μm。该优选参数使得产品的性能更优。
进一步优选的，所述干燥后的复合膜的厚度为0.080～0.100mm。
如上所述的纳米复合膜的制备方法包括步骤：
a.氰乙基纤维素溶解：将10份氰乙基纤维素溶解于379.2份溶剂中；
b.填料分散：将2～9份陶瓷填料和0.2～1.2份导电填料均匀分散于189.6份溶剂中；
c.溶液混合：将步骤b得到的分散后的填料悬浮液添加到步骤a得到的氰乙基纤维素溶液中，搅拌均匀；
d.流延成膜：将步骤c得到的混合溶液倒在表面干燥洁净的玻璃板上，流延成膜，然后置于温度不高于60℃的干燥箱中干燥48h以上，冷却至室温后揭膜，即可得到产品氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜。
步骤a至c均为常温操作，步骤a中氰乙基纤维素在溶剂中的溶解可以是超声溶解，也可以是机械搅拌溶解，步骤b中填料在溶剂中的分散为超声分散，优选的是超声1h。
进一步优选的，所述的步骤d中干燥成膜的过程中不鼓风。这样更利于成膜的均匀性，从而使得产品的性能更优。
本发明制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜外观为黑色不透明薄膜，介电常数和介电损耗分别为26.60～121.18和0.12～0.67(103Hz)；抗拉强度和断裂伸长率分别为51.10～66.83MPa和12.87％～26.08％；第一阶段热分解温度和第二阶段热分解温度分别为302.67～316.94℃和360.14～362.58℃。
本发明具有如下有益效果：
1、制备氰乙基纤维素的原料来源广泛，可完全生物降解，无污染，是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源。
2、制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜介电常数高，而介电损耗相对较低，具有良好的介电性能，可以应用于电子、电机和电缆行业，并且在人工肌肉、吸波材料和药物释放等领域也有一定的应用前景。
3、制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜表面有光泽，外形美观，具有一定的柔韧性。
4、制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜具有良好的机械性能和热稳定性，可根据需要制成不同厚度和机械性能的薄膜。
5、制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜的生产方法安全，工艺流程简单，生产成本低，故市场前景良好。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。所述实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。实施例一至三中，产品的介电性能采用安捷伦4294A阻抗分析仪进行测定，机械性能采用INSTRON 6022型拉伸试验机进行测定，热稳定性采用TG-DTA 6200LABSYS型热重热差综合热分析仪进行测定。
实施例一
氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜，其组分和重量克数为：氰乙基纤维素10g、钛酸钡5g、MWCNT(多壁碳纳米管)0.2g。
在10g氰乙基纤维素中加入379.2gDMF，超声溶解；在5g钛酸钡和0.2gMWCNT中添加189.6gDMF，超声1h；将分散后的填料悬浮液添加到氰乙基纤维素溶液中，得到混合溶液，磁力搅拌24h；将成膜溶液倒在表面干燥洁净的玻璃板上，流延成膜，然后置于温度为60℃的干燥箱中干燥48h左右，冷却后揭膜，即可得到产品氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜。
以此组分和重量克数制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜的性能为：介电常数和介电损耗分别为26.60和0.12(103Hz)；抗拉强度和断裂伸长率分别为66.83MPa和23.07％；第一阶段热分解温度和第二阶段热分解温度分别为302.67℃和362.58℃。
实施例二
氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜，其组分和重量克数为：氰乙基纤维素10g、钛酸钡5g、MWCNT0.9g。
在10g氰乙基纤维素中加入379.2gDMF，超声溶解；在5g钛酸钡和0.9gMWCNT中添加189.6gDMF，超声1h；将分散后的填料悬浮液添加到氰乙基纤维素溶液中，得到混合溶液，磁力搅拌24h；将成膜溶液倒在表面干燥洁净的玻璃板上，流延成膜，然后置于温度为60℃的干燥箱中干燥48h左右，冷却后揭膜，即可得到产品氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜。
以此组分和重量克数制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜的性能为：介电常数和介电损耗分别为49.67和0.18(103Hz)；抗拉强度和断裂伸长率分别为59.03MPa和21.32％；第一阶段热分解温度和第二阶段热分解温度分别为308.22℃和360.19℃。
实施例三
氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜，其组分和重量克数为：氰乙基纤维素10g、钛酸钡5g、MWCNT1.2g。
在10g氰乙基纤维素中加入379.2gDMF，超声溶解；在5g钛酸钡和1.2gMWCNT中添加189.6gDMF，超声1h；将分散后的填料悬浮液添加到氰乙基纤维素溶液中，得到混合溶液，磁力搅拌24h；将成膜溶液倒在表面干燥洁净的玻璃板上，流延成膜，然后置于温度为60℃的干燥箱中干燥48h左右，冷却后揭膜，即可得到产品氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜。
以此组分和重量克数制备的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜的性能为：介电常数和介电损耗分别为121.18和0.67(103Hz)；抗拉强度和断裂伸长率分别为51.10MPa和12.87％；第一阶段热分解温度和第二阶段热分解温度分别为316.94℃和360.73℃。
Claims (9)
1.一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜，其特征在于：包含如下重量组分：氰乙基纤维素10份、陶瓷填料2～9份、导电填料0.2～1.2份、溶剂568.8份；所述纳米复合膜以氰乙基纤维素为基质，以陶瓷填料、导电填料为辅料，配制成溶液，经流延成膜制得；所述的导电填料为多壁碳纳米管，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
2.根据权利要求1所述的纳米复合膜，其特征在于：所述的氰乙基纤维素的原料为天然纤维素。
3.根据权利要求1所述的纳米复合膜，其特征在于：所述的氰乙基纤维素，其取代度为2.43～2.57。
4.根据权利要求1所述的纳米复合膜，其特征在于：所述的陶瓷填料为钛酸钡。
5.根据权利要求4所述的纳米复合膜，其特征在于：所述的钛酸钡粒径为100±5nm。
6.根据权利要求1所述的纳米复合膜，其特征在于：所述多壁碳纳米管的直径为20～30nm，长度为10～20μm。
7.根据权利要求1所述的纳米复合膜，其特征在于：所述复合膜干燥后的厚度为0.080～0.100mm。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的纳米复合膜的制备方法，其特征在于：包括步骤：
a.氰乙基纤维素溶解：将10份氰乙基纤维素溶解于379.2份溶剂中；
b.填料分散：将2～9份陶瓷填料和0.2～1.2份导电填料均匀分散于189.6份溶剂中；
c.溶液混合：将步骤b得到的分散后的填料悬浮液添加到步骤a得到的氰乙基纤维素溶液中，搅拌均匀；
d.流延成膜：将步骤c得到的混合溶液倒在表面干燥洁净的玻璃板上，流延成膜，然后置于温度不高于60℃的干燥箱中干燥48h以上，冷却至室温后揭膜，即可得到产品氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜。
9.根据权利要求8所述的纳米复合膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤d中干燥成膜的过程中不鼓风。
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