CN110343276B - 一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜及其制备方法，该方法包含以下步骤：(1)将聚乙烯醇粉末溶于水中，配制出质量分数为5％的聚乙烯醇溶液；(2)将硅烷偶联剂和石墨烯加入到溶液A中，混合均匀，以对石墨烯进行表面修饰，并获得溶液B；(3)将步骤(2)中的溶液B烘干，获得硅烷偶联剂处理后的石墨烯粉体；(4)将质量分数为5％的聚乙烯醇溶液与硅烷偶联剂处理后的石墨烯粉体混合，获得石墨烯粉体的质量分数在20％以上的浆料；(5)将所述的浆料浇注成型并干燥固化后获得石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜。本发明具有制备工艺简单、制备成本低廉和易于规模化生产等特点，并且拓展了柔性复合薄膜的应用空间。

Description

一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜及其 制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的制备技术领域，具体涉及一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜及其制备方法。
背景技术
负的介电常数作为超材料的迥异电磁特性之一，为电磁功能材料研究开辟了新的应用空间，在新型电容器、无绕线电感器、大功率微波滤波器和负电容场效应晶体管等电子器件领域具有重要应用价值。负介电常数可以利用具有周期性阵列结构的超材料来实现，也可以在常规材料中通过等离子体振荡来实现。由于超材料主要是通过改变结构单元的形状、尺寸和排列方式，而不是材料的化学成分和微观结构来实现对其电磁性能的调控。因此，基于材料的本征特性，并结合常规材料的制备技术，通过对材料化学组成和微观结构的调控获得负介电常数，受到了国内外研究人员的广泛关注。
目前针对负介电性能的研究，主要集中在陶瓷基和高分子基的块体复合材料中。中国专利文献CN108220737A分别以Y2Ti2O7为陶瓷相，Fe为金属相，通过高温烧结工艺制得具有负介电常数的金属陶瓷材料。中国专利文献CN108517119A报道了一种具有负介电常数的石墨烯/聚吡咯纳米粒子的制备方法。如果将负介电性能与柔性结构相结合，制备出一种具有可调控负介电性能的柔性负介电材料，将会在柔性电子器件和可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜及其制备方法，这种石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜为可调控负介电性能的柔性负介电材料。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其包含以下步骤：
(1)将聚乙烯醇粉末溶于水中，配制出质量分数为5％的聚乙烯醇溶液；
(2)将硅烷偶联剂和石墨烯加入到溶液A中，混合均匀，以对石墨烯进行表面修饰，并获得溶液B；
(3)将步骤(2)中的溶液B烘干，获得硅烷偶联剂处理后的石墨烯粉体；
(4)将质量分数为5％的聚乙烯醇溶液与硅烷偶联剂处理后的石墨烯粉体混合，获得石墨烯粉体的质量分数在20％以上的浆料；
(5)将所述的浆料浇注成型并干燥固化后获得石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜。
较佳地，步骤(2)中，所述的溶液A为无水乙醇与去离子水的混合溶液。
较佳地，无水乙醇与去离子水的体积比为9:1。
较佳地，所述的硅烷偶联剂为KH550硅烷偶联剂。
较佳地，步骤(2)中，将硅烷偶联剂和石墨烯加入到溶液A中是指：将石墨烯加入到溶液A中，再加入硅烷偶联剂，其中，加入的石墨烯的质量：溶液A的体积：硅烷偶联剂的体积为0.5g：31.2mL：46.9μL。
较佳地，步骤(4)中，混合方法为磁力搅拌及超声处理。
较佳地，步骤(4)所述的浆料中，石墨烯粉体的质量百分数为20％～26％。
较佳地，步骤(5)中，在60℃条件下使所述的浆料干燥固化。
较佳地，干燥固化的时间为2h。
本发明还提供了上述的制备方法制备得到的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜。
有益效果：
本发明将负介电性能与柔性结构相结合，分别以聚乙烯醇为柔性基体，石墨烯为功能体，利用浇注成型工艺制备出了具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜材料。本发明为负介电材料的设计和制备提供了新途径，具有简单的制备工艺、低廉的制备成本和易于规模化生产等特点，并且拓展了在柔性电子器件和可穿戴设备等领域的应用空间。
附图说明
图1为实施例1、实施例2和实施例3制备的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的介电常数检测结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明包括但不限于这里的实施例。本领域技术人员根据本发明的实施例，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。本发明所需要的化学试剂均可以从商业途径获得。
本发明将负介电性能与柔性结构相结合，分别以聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)为柔性基体，石墨烯(Graphene，GR)为功能体，利用浇注成型工艺制备出了具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇(GR/PVA)柔性复合薄膜材料。本发明中，“/”是指复合，“石墨烯/聚乙烯醇”是指材料由石墨烯和聚乙烯醇复合形成。实现步骤如下所示：
1.配置PVA溶液
(1)称取5g PVA粉末置于95mL去离子水中，静置24h，使PVA粉末充分溶胀。
(2)将溶胀后的PVA在80℃下磁力搅拌，转速设定为2000rpm，直至PVA完全溶于水中，制得质量分数为5％的PVA溶液。
2.处理石墨烯粉体
(1)将0.5g石墨烯置于31.2mL混合溶液中(其中无水乙醇与去离子水的体积比为9:1)，加入46.9μL KH550硅烷偶联剂。硅烷偶联剂用于对石墨烯粉体进行表面修饰，以提高其在PVA溶液中的分散性。
(2)将混合物进行超声处理，然后在60℃下磁力搅拌30min，直至充分反应。
(3)将反应完全后的混合物做抽滤处理，并用无水乙醇和去离子水分别清洗3遍。
(4)将洗涤干净的处理后的石墨烯粉体，在120℃下的真空干燥箱中进行烘干备用。
3.制备GR/PVA柔性复合薄膜
(1)按比例称量石墨烯粉体和PVA溶液，在室温下磁力搅拌30min，转速设定为1000rpm，然后超声处理30min，得到均匀分散的浆料。
(2)将不同质量分数的处理后的石墨烯粉体加入到PVA溶液中，结合磁力搅拌和超声处理，获得混合均匀的浆料。
(3)将模具固定在平板玻璃上并密封好，然后缓慢倒入浆料，进行浇注成型。
(4)把盛有浇注浆料的平板玻璃放入鼓风干燥箱中，在60℃下持续烘干2h，最终得到GR/PVA柔性复合薄膜。
实施例1
(1)按照上述步骤，并称量3g质量分数为5％的PVA溶液和0.750g处理后的石墨烯，在常温下磁力搅拌30min，转速为1000rpm，然后超声处理30min，得到均匀分散的浆料。浆料中石墨烯质量分数为20％。
(2)将模具固定在平板玻璃上并密封好，然后缓慢倒入浆料，进行浇注成型。
(3)把盛有浇注浆料的平板玻璃放入鼓风干燥箱中，在60℃下持续烘干2h，最终得到GR/PVA柔性复合薄膜。介电常数检测结果如图1中20％对应的图谱所示，其介电常数小于0。
实施例2
(1)按照上述步骤，并称量3g质量分数为5％PVA溶液和0.846g处理后的石墨烯，在常温下磁力搅拌30min，转速为1000rpm，然后超声处理30min，得到均匀分散的浆料。浆料中石墨烯质量分数为22％。
(2)将模具固定在平板玻璃上并密封好，然后缓慢倒入浆料，进行浇注成型。
(3)把盛有浇注浆料的平板玻璃放入鼓风干燥箱中，在60℃下持续烘干2h，最终得到GR/PVA柔性复合薄膜。介电常数检测结果如图1中22％对应的图谱所示，其介电常数小于0。
实施例3
(1)称量3g质量分数为5％PVA溶液和1.054g处理后的石墨烯，在常温下磁力搅拌30min，转速设置为1000rpm，然后超声处理30min，得到石墨烯均匀分散的浆料。浆料中石墨烯质量分数为26％。
(2)将模具固定在平板玻璃上并密封好，然后缓慢倒入浆料，进行浇注成型。
(3)把盛有浇注浆料的平板玻璃放入鼓风干燥箱中，在60℃下持续烘干2h，最终得到GR/PVA柔性复合薄膜。介电常数检测结果如图1中26％对应的图谱所示，其介电常数小于0。
本发明制备出的GR/PVA柔性复合薄膜的介电性能均通过Agilent E4980AL测试仪进行表征。
综上所述，本发明通过原位合成的方法成功制备出具有负介电性能的GR/PVA柔性复合薄膜。通过对材料内部微观结构的调控和优化，我们发现当石墨烯的质量分数达到20％时，在10KHz-1MHz的频率范围出现了负的介电常数。相比于常规正介电材料，具备负介电性能的柔性薄膜材料拓宽了高分子基材料的应用范围，对电子元器件的集成化发展也会起到推动作用，特别是在柔性电子器件、隐身应用和智能可穿戴设备等领域具有重要的应用价值。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)将聚乙烯醇粉末溶于水中，配制出质量分数为5％的聚乙烯醇溶液；
(2)将硅烷偶联剂和石墨烯加入到溶液A中，混合均匀，以对石墨烯进行表面修饰，并获得溶液B；
(3)将步骤(2)中的溶液B烘干，获得硅烷偶联剂处理后的石墨烯粉体；
(4)将质量分数为5％的聚乙烯醇溶液与硅烷偶联剂处理后的石墨烯粉体混合，获得石墨烯粉体的质量分数在20％以上的浆料；
(5)将所述的浆料浇注成型并干燥固化后获得石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜；
其中，步骤(2)中的将硅烷偶联剂和石墨烯加入到溶液A中是指：将石墨烯加入到溶液A中，再加入硅烷偶联剂，其中，加入的石墨烯的质量：溶液A的体积：硅烷偶联剂的体积为0.5g：31.2mL：46.9μL；所述的硅烷偶联剂为KH550硅烷偶联剂。
2.根据权利要求1所述的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的溶液A为无水乙醇与去离子水的混合溶液。
3.根据权利要求2所述的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，无水乙醇与去离子水的体积比为9:1。
4.根据权利要求1所述的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，混合方法为磁力搅拌及超声处理。
5.根据权利要求1所述的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的浆料中，石墨烯粉体的质量百分数为20％～26％。
6.根据权利要求1所述的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，在60℃条件下使所述的浆料干燥固化。
7.根据权利要求6所述的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜的制备方法，其特征在于，干燥固化的时间为2h。
8.权利要求1-7任意一项所述的制备方法制备得到的具有负介电性能的石墨烯/聚乙烯醇柔性复合薄膜。
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