CN105504358B - 一种生物可降解有机基板材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物可降解有机基板材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：(1)按照质量比为1:20～1:100，将碳纳米管和纳米纤维素水溶液采用超声波混合均匀，得到纳米纤维素‑碳纳米管混合溶液；(2)将所述纳米纤维素‑碳纳米管混合溶液成膜、真空干燥，制备出生物可降解的复合材料；(3)将所述生物可降解的复合材料采用磁控溅射方式两面镀铜，制备出生物可降解有机基板材料。本发明采用生物可降解的纳米纤维素作为原料，碳纳米管作为介电增强粒子，制备过程环保，使用的溶剂为水溶液，不涉及有机溶剂，制备方法简单且操作性强，可规模化放大生产；制备出的生物可降解有机基板材料具有高的介电常数；优异的拉伸强度；低的热膨胀系数以及具有生物可降解能力。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种生物可降解有机基板材料及其制备方法。
背景技术
有机基板材料是电子封装系统中的重要组成部分。有机基板材料的作用是搭载、固定电子元器件，利用其表面或内部形成的电路图形，进行电路连接，同时兼有绝缘、导热隔离及保护元器件的作用。早期的有机基板是一种小型化的覆铜板，即将聚合物复合物与玻璃纤维布复合形成介电材料(介电层)，两面覆铜后即为具有三明治结构的有机基板材料。有机基板材料的物理和化学性质主要由中间的介电层所决定。玻璃纤维主要的作用为增强，并提供一个改善各种制造工艺过程中处理介电材料能力的结构。通过改变聚合物种类以及他们之间的配比及相互作用，可以得到不同性能的有机基板材料，这也是目前开发新型玻璃纤维增强有机基板材料的主要手段。有机基板所用的聚合物可以根据他们的电气、机械和热性能进行选择，主要包括热固性树脂和热塑性树脂，尤以热固性树脂为主。在有机基板材料中，双马来酰亚胺-三嗪树脂(BT树脂)和高耐热环氧树脂是目前使用最为广泛的热固性树脂。然而这些树脂都来源石油，生物不可降解。丢弃的电子产品污染环境的问题日益突出。为了实现人类社会的可持续发展，保护地球非可再生资源，全球的科学家和工程师开始寻找环境友好型的材料替代现有的有机基板材料，制备“绿色”电子器件。纳米纤维素基材料因具有良好的综合性能、绿色可降解和较高的规模化生产的潜能，受到科学家和工业界的一个广泛关注，未来有可能取代现有的塑料有机基板材料。另外，随着微电子集成与组装技术的飞速发展,电子元器件密度成千万倍地增加,同时工作频率急剧增加，减小电子器件的尺寸显得尤为重要。提高有机基板材料的介电常数是缩小某些电子器件尺寸，比如天线器件最为主要的手段。综合所述，开发生物可降解的、高介电常数的有机基板材料非常重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，本发明一方面提供一种生物可降解的有机基板材料的制备方法，该制备方法采用生物可降解的纳米纤维素作为原料，碳纳米管作为介电增强粒子，制备过程环保，使用的溶剂为水溶液，不涉及有机溶剂，制备方法简单且操作性强，可规模化放大生产，解决了当前有机基板材料对环境的污染问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种生物可降解有机基板材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量比为1:20～1:100，将碳纳米管和纳米纤维素水溶液采用超声波混合均匀，得到纳米纤维素-碳纳米管混合溶液；
(2)将所述纳米纤维素-碳纳米管混合溶液成膜、真空干燥，制备出生物可降解的复合材料；
(3)将所述生物可降解的复合材料采用磁控溅射方式两面镀铜，制备出生物可降解有机基板材料。
优选地，碳纳米管的直径为5～40nm，长度为500nm～5μm；
优选地，所述纳米纤维素水溶液中纳米纤维素含量为所述纳米纤维素水溶液的0.5％～5％wt；
优选地，所述纳米纤维素的直径为5～20nm，长度为1μm～10μm；
优选地，所述超声波的功率100～1000W，混合时间为12～24h。
优选地，所述成膜为棒式涂布、真空抽滤或抄纸；
优选地，所述真空干燥中真空为-0.090MPa，干燥温度为80℃，干燥时间为4h。
优选地，所述磁控溅射两面镀铜过程中溅射电压为160V，溅射时间30min，溅射温度25℃。
本发明另一方面提供一种采用上述制备方法制备的生物可降解有机基板材料，该生物可降解有机基板材料具有高的介电常数，优异的力学强度，以及低的热膨胀系数。
一种生物可降解有机基板材料采用上述制备方法得到。
优选地，所述的碳纳米管为所述生物可降解有机基板材料的0.5～5％wt。
优选地，所述有机基板材料厚度为10～50μm，表面粗糙度5-10nm。
优选地，所述有机基板材料的介电常数为20～1000。
优选地，所述有机基板材料的拉伸强度为80～250MPa。
优选地，所述有机基板材料的热膨胀系数为20～30ppm/℃；
优选地，所述有机基板材料具有生物可降解能力。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点与有益效果：本发明采用生物可降解的纳米纤维素作为原料，碳纳米管作为介电增强粒子，制备过程环保，使用的溶剂为水溶液，不涉及有机溶剂，制备方法简单且操作性强，可规模化放大生产；制备出的生物可降解有机基板材料具有高的介电常数(20～1000)；优异的拉伸强度(80～250MPa)；低的热膨胀系数为(20～30ppm/℃)以及具有生物可降解能力。
附图说明
图1为一实施方式的生物可降解有机基板材料制备方法的流程图；
图2为一实施方式的生物可降解有机基板材料示意图；
图3为一实施方式的生物可降解有机基板材料微观结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
按照质量比为1:20，将直径为5nm，长度为5μm的碳纳米管与质量分数为2.5％纳米纤维素水溶液超声混合均匀，其中纳米纤维素的直径为20nm，长度为10μm，超声所用的功率为1000W，时间为24h，得到纳米纤维素-碳纳米管混合溶液；将纳米纤维素-碳纳米管混合溶液采用棒式涂布的方式制备纳米纤维素-碳纳米管膜，在真空度为-0.090MPa，温度为80℃下干燥4h，得到生物可降解的复合材料，生物可降解的复合材料中碳纳米管的质量分数为0.5％。采用磁控溅射方式在制备的生物可降解的复合材料上下表面镀铜，溅射电压为160V，溅射时间30min，溅射温度25℃，最终得到生物可降解的有机基板材料，制备的生物可降解的有机基板材料的结构示意图如图2所示。采用场发射电子扫描显微镜(FE INovaNano SEM),加速电压10.0kV，放大倍数20万倍的情况下，随制备的生物可降解有机基板材料微观结构具有高度的取向性，如图3所示。得到有机基板材料的厚度为10μm，表面粗糙度5，介电常数为20；拉伸强度250MPa；热膨胀系数为30ppm/℃；具有生物可降解能力。
实施例2
按照质量比为1:100，将直径为40nm，长度为500nm的碳纳米管与质量分数为0.5％纳米纤维素水溶液超声混合均匀，其中纳米纤维素的直径为5nm，长度为1μm；超声所用的功率为100W，时间为12h，得到纳米纤维素-碳纳米管混合溶液；将纳米纤维素-碳纳米管混合溶液采用真空抽滤的方式制备纳米纤维素-碳纳米管膜，在真空度为-0.090MPa，温度为80℃下干燥4h，得到生物可降解的复合材料，生物可降解的复合材料中碳纳米管的质量分数为5.0％；采用磁控溅射方式在制备的生物可降解的复合材料上下表面镀铜，溅射电压为160V，溅射时间30min，溅射温度25℃，最终得到生物可降解的有机基板材料。得到有机基板材料的厚度为50μm，表面粗糙度10，介电常数为1000；拉伸强度80MPa；热膨胀系数为20ppm/℃；具有生物可降解能力。
实施例3
按照质量比为1:50，将直径为20nm，长度为2μm的碳纳米管与质量分数为5％纳米纤维素水溶液超声混合均匀，其中纳米纤维素的直径为10nm，长度为5μm；超声所用的功率为500W，时间为18h，得到纳米纤维素-碳纳米管混合溶液；将纳米纤维素-碳纳米管混合溶液采用抄纸的方式制备纳米纤维素-碳纳米管膜，在真空度为-0.090MPa，温度为80℃下干燥4h。得到生物可降解的复合材料，生物可降解的复合材料中碳纳米管的质量分数为2.0％。采用磁控溅射方式在制备的生物可降解的复合材料上下表面镀铜，溅射电压为160V，溅射时间30min,溅射温度25℃，最终得到生物可降解的有机基板材料。得到有机基板材料的厚度为30μm，表面粗糙度7，介电常数为600；拉伸强度150MPa；热膨胀系数为26ppm/℃；具有生物可降解能力。
实施例4
按照质量比为1:60，将直径为20nm，长度为2μm的碳纳米管与质量分数为5％纳米纤维素水溶液超声混合均匀，其中纳米纤维素的直径为10nm,长度为5μm；超声所用的功率为500W，时间为18h，得到纳米纤维素-碳纳米管混合溶液；将纳米纤维素-碳纳米管混合溶液采用抄纸的方式制备纳米纤维素-碳纳米管膜，在真空度为-0.090MPa，温度为80℃下干燥4h，得到生物可降解的复合材料，生物可降解的复合材料中碳纳米管的质量分数为3.0％；采用磁控溅射方式在制备的生物可降解的复合材料上下表面镀铜，溅射电压为160V，溅射时间30min，溅射温度25℃，最终得到生物可降解的有机基板材料。得到有机基板材料的厚度为40μm，表面粗糙度5，介电常数为700，拉伸强度200MPa，热膨胀系数为24ppm/℃，具有生物可降解能力。
对比例
采用实施例1-4相同的方式制备无碳纳米管的纯纳米纤维素水溶液。其中纳米纤维素水溶液质量分数为5％，直径为10nm,长度为5μm，超声所用的功率为500W，时间为18h；将纳米纤维素溶液采用真空抽滤的方式制备纳米纤维素膜，在真空度为-0.090MPa，温度为80℃下干燥4h。采用磁控溅射方式在制备的纳米纤维素膜上下表面镀铜，溅射电压为160V，溅射时间30min，溅射温度25℃，最终得到生物可降解的有机基板材料。得到有机基板材料的厚度为40μm，表面粗糙度5，介电常数为10；拉伸强度200MPa；热膨胀系数为20ppm/℃；具有生物可降解能力。
本发明采用生物可降解的纳米纤维素作为原料，碳纳米管作为介电增强粒子，制备过程环保，使用的溶剂为水溶液，不涉及有机溶剂，制备方法简单且操作性强，可规模化放大生产；制备出的生物可降解有机基板材料具有高的介电常数(20～1000)；优异的拉伸强度(80～250MPa)；低的热膨胀系数为(20～30ppm/℃)以及具有生物可降解能力。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构和工艺，但本发明并不局限于上述详细结构和工艺，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构和工艺才能实施。所属技术领域的技术人员应该明白，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (12)
1.一种生物可降解有机基板材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）按照质量比为1:20~1:100，将碳纳米管和纳米纤维素水溶液采用超声波混合均匀，得到纳米纤维素-碳纳米管混合溶液；
（2）将所述纳米纤维素-碳纳米管混合溶液成膜、真空干燥，制备出生物可降解的复合材料；
（3）将所述生物可降解的复合材料采用磁控溅射两面镀铜，制备出生物可降解有机基板材料；
其中，所述碳纳米管的直径为5~40nm，长度为500nm~5μm；
所述纳米纤维素水溶液中纳米纤维素含量为所述纳米纤维素水溶液的0.5%~5%wt；
所述纳米纤维素的直径为5~20nm，长度为1μm~10μm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声波的功率100~1000W，混合时间为12~24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述成膜为棒式涂布、真空抽滤或抄纸。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空干燥中真空度为-0.090MPa，干燥温度为80℃，干燥时间为4h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述磁控溅射两面镀铜中溅射电压为160V，溅射时间30min，溅射温度25℃。
6.一种生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述生物可降解有机基板材料采用如权利要求1~5中任一项所述的生物可降解有机基板材料的制备方法得到。
7.根据权利要求6所述的生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述的碳纳米管为所述生物可降解有机基板材料的0.5~5%wt。
8.根据权利要求6所述的生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述有机基板材料厚度为10~50μm，表面粗糙度5-10nm。
9.根据权利要求6所述的生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述有机基板材料的介电常数为20~1000。
10.根据权利要求6所述的生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述有机基板材料的拉伸强度为80~250MPa。
11.根据权利要求6所述的生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述有机基板材料的热膨胀系数为20~30ppm/℃。
12.根据权利要求6所述的生物可降解有机基板材料，其特征在于，所述有机基板材料具有生物可降解能力。
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