CN111574667A - 一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料及其制法 - Google Patents

一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚苯乙烯介电材料技术领域，且公开了一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，包括以下原料及组分，功能化碳纳米管、苯乙烯、RAFT试剂、引发剂。该一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷作为改性剂，与羟基化碳纳米管的羟基反应，得到功能化碳纳米管，以功能化碳纳米管的烯基作为反应活性位点，通过RAFT可逆加成‑断裂链转移聚合法，使苯乙烯在碳纳米管表面原位聚合，使碳纳米管与聚苯乙烯通过化学共价键结合，显著改善了碳纳米管与聚苯乙烯的界面相容性，避免了碳纳米管粒子之间的聚集和团聚，分散均匀的碳纳米管赋予了聚苯乙烯优异的介电性能和抗冲击强度。

Description

一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料及其制法
技术领域
本发明涉及聚苯乙烯介电材料技术领域，具体为一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料及其制法。
背景技术
可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)是一种可控自由基聚合方法，具有聚合单体范围广、聚合温度不高、条件温和、分子设计能力强等特点，在聚合高分子制备方面具有重要的应用，可以用来制备接枝型聚合物、嵌段型聚合物和星型共聚物等。
随着电子工业的快速发展，对高介电材料的需求，以及性能要求越来越大，介电材料在高存储电容、电致伸缩系统、电磁屏蔽和吸波等方面具有广阔的应用前景，高分子聚合物具有密度小、质地轻、易加工，电绝缘性优良等特点，在轻质化的介电材料中应用广泛，碳纳米管电导率高、机械强度大和比表面积高等优点，可以将其与聚苯乙烯、环氧树脂等高分子聚合物，可以提高材料的介电常数和介电性能，并且得到有机-无机复合材料可以兼具两者优点，而如何改善碳纳米管与聚苯乙烯的界面相容性，避免发生聚集和团聚，成为研究重点和难点。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料及其制法，解决了聚苯乙烯介电性能不高的问题，同时解决了善碳纳米管与聚苯乙烯的界面相容性很差的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料：包括以下原料及组分，功能化碳纳米管、苯乙烯、RAFT试剂、引发剂，质量比为0.5-3:100:4-6:0.8-2。
优选的，所述引发剂为过氧化二苯甲酰或过氧化二异丙苯或偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈中的任意一种。
优选的，所述RAFT试剂为二硫代苯甲酸异丙苯酯或二硫代苯甲酸苄基酯中的任意一种。
优选的，所述高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料制备方法如下：
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂，加热至90-120℃，匀速搅拌反应4-12h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂、RAFT试剂和苯乙烯，加热至50-80℃，匀速搅拌反应20-30h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料。
优选的，所述羟基化碳纳米管的羟基含量为2.9-3.7％。
优选的，所述硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为0.5-2:1。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下实验原理和有益的技术效果：
该一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷作为改性剂，与羟基化碳纳米管的羟基反应，得到功能化碳纳米管，以功能化碳纳米管的烯基作为反应活性位点，通过RAFT可逆加成-断裂链转移聚合法，使苯乙烯在碳纳米管表面原位聚合，使碳纳米管与聚苯乙烯通过化学共价键结合，显著改善了碳纳米管与聚苯乙烯的界面相容性，避免了碳纳米管粒子之间的聚集和团聚，分散均匀的碳纳米管赋予了聚苯乙烯优异的介电性能和抗冲击强度。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料：包括以下原料及组分，功能化碳纳米管、苯乙烯、RAFT试剂、引发剂，质量比为0.5-3:100:4-6:0.8-2，其中RAFT试剂为二硫代苯甲酸异丙苯酯或二硫代苯甲酸苄基酯中的任意一种、引发剂为过氧化二苯甲酰或过氧化二异丙苯或偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈中的任意一种。
高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料制备方法如下：
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为2.9-3.7％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为0.5-2:1，加热至90-120℃，匀速搅拌反应4-12h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂、RAFT试剂和苯乙烯，加热至50-80℃，匀速搅拌反应20-30h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料。
实施例1
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为2.9％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为0.5:1，加热至90℃，匀速搅拌反应4h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂过氧化二苯甲酰、RAFT试剂二硫代苯甲酸异丙苯酯和苯乙烯，四者质量比为0.5:0.8:4:100，加热至50℃，匀速搅拌反应20h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料1。
实施例2
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为2.9％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为1:1，加热至120℃，匀速搅拌反应4h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂过氧化二异丙苯、RAFT试剂二硫代苯甲酸苄基酯和苯乙烯，四者质量比为1:1:4.5:100，加热至80℃，匀速搅拌反应24h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料2。
实施例3
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为3.7％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为1.5:1，加热至110℃，匀速搅拌反应8h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂偶氮二异丁腈、RAFT试剂二硫代苯甲酸苄基酯和苯乙烯，四者质量比为2:1.8:5.2:100，加热至65℃，匀速搅拌反应24h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料3。
实施例4
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为3.7％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为2:1，加热至120℃，匀速搅拌反应12h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂偶氮二异庚腈、RAFT试剂二硫代苯甲酸异丙苯酯和苯乙烯，四者质量比为3:2:6:100，加热至80℃，匀速搅拌反应30h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料4。
对比例1
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为0.71％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为0.2:1，加热至120℃，匀速搅拌反应4h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂过氧化二异丙苯、RAFT试剂二硫代苯甲酸异丙苯酯和苯乙烯，四者质量比为0.2:0.5:3:100，加热至80℃，匀速搅拌反应20h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料对比1。
对比例2
(1)向反应瓶中加入甲苯溶剂和羟基含量为1.06％的羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为3:1，加热至120℃，匀速搅拌反应412h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物，并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管。
(2)向反应瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺和功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂偶氮二异丁腈、RAFT试剂二硫代苯甲酸异丙苯酯和苯乙烯，四者质量比为4:2.5:7:100，加热至80℃，匀速搅拌反应30h，将溶液冷却至室温，加入去离子水溶剂直至有大量沉淀析出，过滤除去溶剂，使用去离子水和乙醇洗涤固体产物并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料对比2。
使用HIOKI 3532-50LCR型宽频介电阻抗谱仪测试实施例和对比例中高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料的介电常数，测试标准为GB/T5597-1999。
Figure BDA0002523340320000061
Figure BDA0002523340320000071
使用HE-XBL-5.5D数显式悬臂梁冲击试验机测试实施例和对比例中高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料的抗冲击强度，测试标准GB/T37198-2018。
Figure BDA0002523340320000072

Claims (6)

1.一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，其特征在于：包括以下原料及组分，功能化碳纳米管、苯乙烯、RAFT试剂、引发剂，质量比为0.5-3:100:4-6:0.8-2。
2.根据权利要求1所述的一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，其特征在于：所述引发剂为过氧化二苯甲酰或过氧化二异丙苯或偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，其特征在于：所述RAFT试剂为二硫代苯甲酸异丙苯酯或二硫代苯甲酸苄基酯中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，其特征在于：所述高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料制备方法如下：
(1)向甲苯溶剂中加入羟基化碳纳米管，超声分散均匀后加入硅烷偶联剂，加热至90-120℃，反应4-12h，减压蒸馏、洗涤并干燥，制备得到硅烷偶联剂修饰的功能化碳纳米管；
(2)向N,N-二甲基甲酰胺中加入功能化碳纳米管，超声分散均匀后，加入引发剂、RAFT试剂和苯乙烯，加热至50-80℃，反应20-30h，将溶液过滤、洗涤并干燥，制备得到高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料。
5.根据权利要求4所述的一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，其特征在于：所述羟基化碳纳米管的羟基含量为2.9-3.7％。
6.根据权利要求4所述的一种高强度的碳纳米管接枝改性聚苯乙烯介电材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，与羟基化碳纳米管的质量比为0.5-2:1。
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