CN108070186A - 一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料及其制备方法，包括以下重量份原材料制备而成：10‑20份的聚丙烯酸树脂，10‑20份的聚四氟乙烯，5‑15份的丙二酸亚甲基酯，5‑15份的聚一氯二氟乙烯，2‑5份的聚吡咯，5‑10份的四氯化硅，0.1‑0.5份的纳米钛酸钡，1‑5份的交联剂；本发明利用高分子的聚合、交联和晶体析出原理，使其具有介电常数大，工作温度高的优点，促进了聚合物介电材料在高温环境中工作的电子器件上的应用。

Description

一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子材料领域，具体涉及一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料及其制备方法。
背景技术
介电材料（dielectric material）又称电介质，是可用于控制存储电荷及电能的电的绝缘材料，在现代电子及电力系统中具有重要的战略地位。介电材料主要包括电容器介电材料和微波介电材料两大体系。其中用作电容器介质的介电材料，要求材料的电阻率高，介电常量大，在整个介电材料中占有很大比重。介电材料也可分为有机和无机两大类，种类繁多。
人们对介电材料的研究最初是从无机压电陶瓷材料开始的，无机压电陶瓷材料具有高介电常数和高热电稳定性，但其脆性大、加工温度较高。随着信息和微电子工业的飞速发展对半导体器件微型化、集成化、智能化、高频化和平面化的应用需求增加，越来越多的电子元件，如介质基板、介质天线、嵌入式薄膜电容等，既要介电材料具备优异的介电性能，又要其具备良好的力学性能和加工性能，因此，单一的无机介电材料已经不能满足上述要求。而具有高介电性能的复合功能电介质材料可用于制备高储能密度介质，在脉冲率及电子封装技术等军民用领域有着引人瞩目的实用前景。近年来，人们通过以聚合物为基体，引入高介电常数或易极化的纳米尺度的无机颗粒或者其它无机物形成聚合物基复合介电材料。然而，通过简单的混合而成的聚合物基复合介电材料在电化学性能上虽然有了一定的提高，也克服了部分缺陷，但仍然难以满足电子行业对电子材料越来越高的性能要求，因此，深入研发更高性能的聚合物基复合介电材料依然是今后电子材料发展的方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有高分子复合介电材料存在的工作温度低的缺陷，提供一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料及其制备方法；本发明利用高分子的聚合、交联和晶体析出原理，使其具有介电常数大，工作温度高的优点，促进了聚合物介电材料在高温环境中工作的电子器件上的应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料，包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的聚丙烯酸树脂，10-20份的聚四氟乙烯，5-15份的聚丙二酸亚甲基酯，5-15份的聚一氯二氟乙烯，2-5份的聚吡咯，5-10份的四氯化硅，0.1-0.5份的纳米钛酸钡，1-5份的交联剂。
一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料，利用多种有机物之间的相互聚合、交联，形成结构稳定，耐高温的高分子三维网络结构，同时在三维网络结构中含有利用成核剂形成的聚合物结晶，该聚合物结晶与电场的相互作用增强，介电常数增大；同时，三维网络结构使聚合物熔点增加，其工作温度更高；该复合介电材料使用范围更大，有利于电子行业的发展。
优选的，其中所述的聚丙烯酸树脂分子量为1000-20000，分子量太大，分子链太长，形成的三维网络结构稳定差，复合材料熔点降低；分子量太小，分子链太短，不利于对聚合物结晶的包覆，产品性能降低。
优选的，其中所述的聚丙二酸亚甲基酯聚合度为100-200，分子量越大，对电场的作用越弱，介电性变差；分子量越小，导电性越强，不利于用作介电材料。
优选的，其中所述的聚四氟乙烯聚合度为200-500，聚合度太大，分子链太长，形成的三维网络结构稳定差，复合材料熔点降低；聚合度太小，分子链太短，不利于对聚合物结晶的包覆。
优选的，其中所述的聚一氯二氟乙烯聚合度为100-200，聚合度太大，分子链太长，形成的三维网络结构稳定差，复合材料熔点降低；聚合度太小，分子链太短，不利于对聚合物结晶的包覆。
优选的，其中所述的聚吡咯聚合度为100-200，聚合度太大，介电性能变差；聚合度太小，导电性高，不适合作介电材料。
优选的，其中所述的纳米钛酸钡的粒径为5-20纳米，粒径太大，不利于高分子材料结晶成核；粒径太小，分散困难，容易团聚。
优选的，所述一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料，包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的聚丙烯酸树脂，10-20份的聚四氟乙烯，5-10份的丙二酸亚甲基酯，10-15份的聚一氯二氟乙烯，2-3份的聚吡咯，5-8份的四氯化硅，0.1-0.3份的纳米钛酸钡，2-3份的交联剂。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的丙二酸亚甲基酯结晶材料与聚丙烯酸树脂、聚四氟乙烯、四氯化硅、聚吡咯、聚一氯二氟乙烯、交联剂混合后进行交联反应，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
一种聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的制备方法，先将丙二酸亚甲基酯溶解形成溶液，再利用纳米钛酸钙做成核剂，将丙二酸亚甲基酯结晶析出成为能与电场的相互作用更强的结晶材料，从而使聚合物材料的介电常数增大；最后与其它高分子材料的交联，形成了具有三维网络结构的聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料，使聚合物熔点增加，其工作温度更高；该聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的制备方法简单、稳定、可靠，适合聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的大规模、工业化生产。
优选的，所述交联反应温度为240-280℃，交联温度过高，交联过渡，形成的三维网络结构不规则，产品性能降低，交联温度过低，反应时间太长，生产周期长。
优选的，所述交联反应的时间为1-3h，反应时间过长，生产周期长，效率低，反应时间过短，反应不完全，产品性能降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料含有利用成核剂结晶析出的丙二酸亚甲基酯结晶材料，具有与电场的相互作用更强的特性，具有更高的介电常数。
2、本发明聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的制备方法先通过重结晶，再利用交联，将结晶材料均匀分散在三维网络结构体系中，从而增加了复合材料的熔点和介电常数。
3、本发明聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的制备方法简单、稳定、可靠，适合聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料的大规模、工业化生产。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将10重量份聚合度为150的聚丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入0.3重量份纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到聚丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的聚丙二酸亚甲基酯结晶材料与15重量份的分子量为5000的聚丙烯酸树脂、15重量份的聚合度为300的聚四氟乙烯、8重量份的四氯化硅、3重量份聚合度为150的聚吡咯、10重量份的聚合度为150的聚一氯二氟乙烯、3重量份的交联剂混合后，在260℃的温度下进行交联反应3h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
实施例2
（1）将15重量份聚合度为100的聚丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入0.1重量份纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到聚丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的聚丙二酸亚甲基酯结晶材料与10重量份的分子量为1000的聚丙烯酸树脂、20重量份的聚合度为500的聚四氟乙烯、10重量份的四氯化硅、5重量份聚合度为200的聚吡咯、15重量份的聚合度为100的聚一氯二氟乙烯、5重量份的交联剂混合后，在280℃的温度下进行交联反应1h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
实施例3
（1）将5重量份聚合度为200的聚丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入0.5重量份纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到聚丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的聚丙二酸亚甲基酯结晶材料与20重量份的分子量为20000的聚丙烯酸树脂、10重量份的聚合度为200的聚四氟乙烯、5重量份的四氯化硅、1重量份聚合度为100的聚吡咯、5重量份的聚合度为200的聚一氯二氟乙烯、2重量份的交联剂混合后，在240℃的温度下进行交联反应3h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
实施例4
（1）将10重量份聚合度为200的聚丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入0.2重量份纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到聚丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的聚丙二酸亚甲基酯结晶材料与10重量份的分子量为20000的聚丙烯酸树脂、20重量份的聚合度为200的聚四氟乙烯、5重量份的四氯化硅、1重量份聚合度为100的聚吡咯、15重量份的聚合度为200的聚一氯二氟乙烯、1重量份的交联剂混合后，在270℃的温度下进行交联反应1.5h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
对比例1
（1）将10重量份聚合度为150的聚丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，进行结晶析出，得到聚丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的聚丙二酸亚甲基酯结晶材料与15重量份的分子量为5000的聚丙烯酸树脂、15重量份的聚合度为300的聚四氟乙烯、8重量份的四氯化硅、3重量份聚合度为150的聚吡咯、10重量份的聚合度为150的聚一氯二氟乙烯、3重量份的交联剂混合后，在260℃的温度下进行交联反应3h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
对比例2
（1）将10重量份聚合度为150的聚丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入0.3重量份纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到聚丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的聚丙二酸亚甲基酯结晶材料与15重量份的分子量为5000的聚丙烯酸树脂、15重量份的聚合度为300的聚四氟乙烯、8重量份的四氯化硅、10重量份的聚合度为150的聚一氯二氟乙烯、3重量份的交联剂混合后，在260℃的温度下进行交联反应3h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
对比例3
将0.3重量份的纳米钛酸钡与15重量份的分子量为5000的聚丙烯酸树脂、15重量份的聚合度为300的聚四氟乙烯、8重量份的四氯化硅、3重量份聚合度为150的聚吡咯、10重量份的聚合度为150的聚一氯二氟乙烯、3重量份的交联剂混合后，在260℃的温度下进行交联反应3h，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
将上述实施例1-4和对比例1-3中所制备得到的聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料进行性能检测（25℃，10KHz），记录实验结果，记录数据如下：
编号 介电常数 最高使用温度（℃）
实施例1 35.8 250
实施例2 34.5 250
实施例3 35.1 245
实施例4 34.8 245
对比例1 16.7 240
对比例2 17.2 210
对比例3 18.5 215
对上述实验数据分析可知，实施例1-4中采用本发明技术方案制备得到的聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料介电常数大、最大使用温度高；同时，对比所有实施例1-4和对比例1-3可知，纳米钛酸钡对复合材料的主要影响复合材料的介电常数，对比例1中没有使用纳米钛酸钡，不能形成钛酸钡-聚丙二酸亚甲基酯的结晶材料，得到的聚丙二酸亚甲基酯对电场相互作用弱，其介电常数显著降低；对比例2中没有使用聚吡咯，形成的三维网路结构存在结构缺陷，交联形成的聚合物其介电常数和最高使用温度均有显著降低；对比例3中直接将纳米钛酸钡与聚合物进行交联聚合，不存在，钛酸钡-聚丙二酸亚甲基酯的结晶材料，对电场相互作用弱，介电常数低，同时，交联形成的三维网路结构也具有一定缺陷，复合材料的使用温度也显著降低。

Claims (10)

1.一种介电复合材料，其特征在于，包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的聚丙烯酸树脂，10-20份的聚四氟乙烯，5-15份的聚丙二酸亚甲基酯，5-15份的聚一氯二氟乙烯，2-5份的聚吡咯，5-10份的四氯化硅，0.1-0.5份的纳米钛酸钡，1-5份的交联剂。
2.根据权利要求1所述的介电复合材料，其特征在于，所述聚丙烯酸树脂分子量为1000-20000。
3.根据权利要求1所述的介电复合材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯聚合度为200-500。
4.根据权利要求1所述的介电复合材料，其特征在于，所述聚一氯二氟乙烯聚合度为100-200。
5.根据权利要求1所述的介电复合材料，其特征在于，所述聚吡咯聚合度为100-200。
6.根据权利要求1所述的介电复合材料，其特征在于，所述纳米钛酸钡的粒径为1-20nm。
7.根据权利要求1所述的介电复合材料，其特征在于，包括以下重量份原材料制备而成：10-20份的聚丙烯酸树脂，10-20份的聚四氟乙烯，5-10份的丙二酸亚甲基酯，10-15份的聚一氯二氟乙烯，2-3份的聚吡咯，5-8份的四氯化硅，0.1-0.3份的纳米钛酸钡，2-3份的交联剂。
8.一种权利要求1所述介电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将丙二酸亚甲基酯用甘油溶解形成溶液，在溶液中加入纳米钛酸钙，分散均匀后进行结晶析出，得到丙二酸亚甲基酯结晶材料；
（2）将步骤1得到的丙二酸亚甲基酯结晶材料与聚丙烯酸树脂、聚四氟乙烯、四氯化硅、聚吡咯、聚一氯二氟乙烯、交联剂混合后进行交联反应，得聚丙烯酸树脂基高分子介电复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤3中交联反应温度为240-280℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤3中交联反应时间为1-3h。
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