CN104835645A - 一种具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料及其制备方法，属于聚合物基高介电复合材料领域。利用石墨粉与高锰酸钾之间的氧化还原反应，使二氧化锰颗粒均匀分散在石墨粉表面，形成了二氧化锰壳包裹石墨粉壳的核壳结构。将该核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料添加到聚偏氟乙烯基体中，可以得到具有优异介电性能的石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料。在1千赫兹下，该复合材料介电常数可高达4172(介电损耗为2.89)。该方法简单易行，成本低廉，效果明显，并且该方法在制备过程中无有毒有害物质放出。
Description
技术领域
本发明涉及一种添加到聚合物基高介电复合材料中的填料及其制备方法，具体涉及一种具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料及其制备方法。
背景技术
以聚合物为基体，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨等为填料的复合材料具有加工易、密度低、柔韧性高和介电性能优异等特点，在微型嵌入式电容器、电缆、人工肌肉和微波吸收材料等领域具有重要应用价值。在碳材料-聚合物复合材料中，石墨烯-聚合物复合材料与碳纳米管-聚合物复合材料因具有优异的介电性能被广泛研究。然而，用碳纳米管、石墨烯作为聚合物基体的填料，成本比较高。此外，碳纳米管、石墨烯具有较大比表面积，在聚合物基体中难以均匀分散。
与碳纳米管、石墨烯相比，石墨储量丰富、成本低，并且杨氏模量和电导率与碳纳米管相当。现今，很多研究集中在石墨的改性，及以改性的石墨为填料，聚合物为基体复合材料的介电性能上。
以表面富含羟基和羰基的石墨纳米片为填料，环氧树脂为聚合物基体，在二环氧甘油醚溶剂的辅助下，Min等人得到石墨纳米片-环氧树脂高介电复合材料。该复合材料在1千赫兹下，介电常数为240，介电损耗为5(Polymer Engineering & Science,2010,50(9):1734-1742)。Yu等人制备了膨胀石墨-环氧树脂复合材料，在聚合物环氧树脂中，填料膨胀石墨呈均匀分散状。在50赫兹下，复合材料的介电常数可达180，此时介电损耗仅为0.05(Journal of Applied PolymerScience,2009,V112(6):3613-3619)。利用膨胀石墨为填料，聚苯乙烯为聚合物基体，采用溶液混合、热压方法可得到膨胀石墨-聚苯乙烯高介电复合材料，该复合材料具有优异的热学、机械和介电性能(Journal of Applied Polymer Science,2009,V111(4):2071-2077)。Wan等人研究了表面活性剂对石墨晶体构型的影响，并制备了胺表面活性剂修饰的石墨-聚丙烯复合材料。该复合材料表现出很好的热力学、介电性能(Journal of Applied Polymer Science,2012,V123(5):3154-3163)。
然而，以上方法多采用将石墨膨胀化或表面活性剂化学修饰等复杂方法改性石墨，而且复合材料的介电常数远小于以石墨烯、碳纳米管为填料的复合材料的介电常数。所以，我们亟需找到一种简单、高效的方法改性石墨，并将改性后的石墨作为填料添加到聚合物基体中，得到具有高介电常数、低介电损耗的复合材料。
我们利用石墨粉与高锰酸钾之间的氧化还原反应，提供了一种制备核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料的方法，二氧化锰颗粒均匀分散在石墨粉表面，形成了二氧化锰壳包裹石墨粉壳的核壳结构。将该核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料添加到聚偏氟乙烯基体中，得到了石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料。在1千赫兹下，该复合材料介电常数可高达4172(介电损耗为2.89)。该方法简单易行，成本低廉，效果明显，并且该方法在制备过程中无有毒有害物质放出。在聚合物基高介电复合材料领域，具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是通过一种简单、高效的石墨粉与高锰酸钾之间的氧化还原反应，制得一种具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料，并将该填料添加到聚偏氟乙烯中，得到具有优异介电性能的复合材料。
下面以粒径约为2微米、纯度为99.5％的石墨粉为例说明该具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料的制备过程。
(1)将0.19克石墨粉加入到乙醇和水的混合溶液中(乙醇20毫升，水10毫升)，并将该混合溶液超声分散10分钟；
(2)将2毫摩尔高锰酸钾加入到20毫升、0.2摩尔/升的氢氧化钾溶液中；
(3)将步骤(1)得到的溶液缓慢加入到步骤(2)得到的溶液中，超声分散1小时，机械搅拌3小时；
(4)将步骤(3)得到的产物离心分离，将产物反复用去离子水清洗，80摄氏度干燥过夜，得到具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料。
将得到的具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料添加到聚偏氟乙烯基体中，得到了石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料，具体实施步骤如下：
(5)称取一定量的经过(1)-(4)步骤得到的石墨粉/二氧化锰填料，加入一定量乙醇后，超声分散3小时，之后称取一定量的聚偏氟乙烯粉末，将聚偏氟乙烯粉末分次加入到石墨粉/二氧化锰填料和乙醇的混合液中，继续超声分散2小时，得到混合均匀的悬浊液。将悬浊液倒入表面皿中，70摄氏度下干燥4小时，将干燥后的物质在玛瑙研钵中研磨得到细微的粉末。
(6)取一定量(5)步骤得到的细微粉末，使用粉末压片机将其压为薄片，然后将薄片置于200摄氏度下保温3小时，得到石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，烘干后即可进行电学性质的测量。
由上述过程即可获得具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料，二氧化锰颗粒均匀分散在石墨粉表面，形成了二氧化锰壳包裹石墨粉壳的核壳结构。此外，将该材料添加到聚偏氟乙烯中得到的石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料具有优异的介电性能，在1千赫兹下，该复合材料介电常数可高达4172(介电损耗为2.89)。该方法工艺简单，成本低廉，无环境污染，在能源材料领域具有极大的应用价值。
附图说明
图1为具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料合成示意图。
图2(a)和(b)分别为石墨粉和具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料的扫描电子显微镜图。从图(b)可看出二氧化锰颗粒均匀分散在石墨粉表面，形成了二氧化锰壳包裹石墨粉壳的核壳结构。
图3为石墨粉和具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料的X射线衍射分析图。从图中可以看出，相比于石墨粉，具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料在33°和66°处出现两个二氧化锰特征峰，表明二氧化锰成功引入到石墨粉表面。
图4为1千赫兹下，依据本发明得到的具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料的介电常数及介电损耗随石墨粉/二氧化锰填料含量变化图。该石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料具有高达4172的介电常数，此时介电损耗为2.89。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细描述本发明。
实施例1，将20毫升乙醇和10毫升水混合，称取0.19克石墨粉加入到乙醇和水的混合溶液中，得到混合溶液A。配置20毫升、浓度为0.2摩尔/升的氢氧化钾溶液，称取2毫摩尔高锰酸钾加入到上述氢氧化钾溶液中，得到混合溶液B。将混合溶液A加入到B中，超声分散1小时后，机械搅拌3小时。将得到的产物反复用去离子水清洗，80摄氏度干燥过夜，得到具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料。
称取一定量的具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料，加入一定量乙醇后，超声分散3小时，之后称取一定量的聚偏氟乙烯粉末，将聚偏氟乙烯粉末分次加入到石墨粉/二氧化锰填料与乙醇的混合液中，之后继续超声分散2小时，得到混合均匀的悬浊液。将悬浊液倒入表面皿中，70摄氏度下干燥4小时，将干燥后的物质在玛瑙研钵中研磨得到细微的粉末。用粉末压片机将其压为薄片，然后将薄片置于200摄氏度下保温3小时，得到石墨粉/二氧化锰-聚偏氟乙烯复合材料。将薄片表面抛光，表面涂覆导电银胶，烘干后进行电学性质的测量。按照不同的配比要求，重复上述操作，制得一系列不同填充量的复合材料，得到复合材料的介电常数和介电损耗随石墨粉/二氧化锰填料含量变化的规律如图4所示。在1千赫兹下，该复合材料介电常数可高达4172(介电损耗为2.89)。
Claims (1)
1.一种制备核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料的方法，该方法通过以下具体步骤实现：
(1)将0.19克石墨粉加入到乙醇和水的混合溶液中(乙醇20毫升，水10毫升)，并将该混合溶液超声分散10分钟；
(2)将2毫摩尔高锰酸钾加入到20毫升、0.2摩尔/升的氢氧化钾溶液中；
(3)将步骤(1)得到的溶液缓慢加入到步骤(2)得到的溶液中，超声分散1小时，机械搅拌3小时；
(4)将步骤(3)得到的产物离心分离，将产物反复用去离子水清洗，80摄氏度干燥过夜，得到具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料；
通过该方法制备的具有核壳结构的石墨粉/二氧化锰填料的特征为：二氧化锰颗粒均匀分散在石墨粉表面，形成了二氧化锰壳包裹石墨粉壳的核壳结构；将该填料添加到聚偏氟乙烯基体中，得到的复合材料介电常数可高达4172，介电损耗为2.89(1千赫兹下)。
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