CN115124838A - 一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料及其制备方法，原料包括质量比为100:1~20的聚砜树脂及改性填料；改性填料的制备方法为：用过氧化氢溶液对钛酸钡和炭黑的混合粉体进行处理，得到表面羟基化的混合粉体；将表面羟基化的混合粉体与γ‑巯丙基三甲氧基硅烷反应，得到巯基改性的混合粉体；将巯基改性的混合粉体与二甲基二烯丙基氯化铵反应，得到季铵基团改性的混合粉体；通过溶胶凝胶法在季铵基团改性的混合粉体表面包覆无定型二氧化硅。本发明用钛酸钡和炭黑混合作为填料，并用无定型二氧化硅层对混合填料进行包覆，通过对包覆工艺的改善使得在较低的改性填料添加量下，薄膜材料具有高的介电常数及低的介电损耗。

Description

一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及介电材料技术领域，尤其是涉及一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料及其制备方法。
背景技术
薄膜电容器是一种重要的基础电子元件，相比陶瓷电容器，铝/钽电容器，薄膜电容器具有绝缘电阻高，耐压高，介质损耗小，频率特性优异，具有自愈性等优良特性。目前，薄膜电容器中最常用的薄膜电介质为BOPP，其耐温性在105℃左右，相对介电常数只有2-3，因此即使在高场强下其储能密度也只有不到2J/cm3，这意味着满足一定的储能要求需要很大的体积。而近年来，新能源领域如光伏发电，风力发电，特别是新能源汽车的发展，对薄膜电容器提出了小型化，耐高温，大容量等更高的要求。
聚砜(PSU)是一种略带琥珀色的透明或半透明聚合物，可以在-100℃～150℃范围内长期使用，热稳定性好，耐水解，尺寸稳定性好，成型收缩率小，即使在高温下也能保持优良的机械性能，且在宽广的温度和频率范围内具有优良的电性能，是最具潜力的耐高温电介质薄膜聚合物之一。但单纯的聚砜材料的相对介电常数较低，一般通过在聚砜中添加高介电常数的陶瓷填料来提升复合材料的介电常数。例如，在中国专利文献上公开的“一种二氧化硅包覆改性钛酸钡/聚砜的介电复合材料及其制备方法”，其公开号CN110698859A，利用溶胶凝胶法在高介电材料钛酸钡表面包覆一层致密绝缘的二氧化硅，制备成钛酸钡@二氧化硅纳米核壳结构的颗粒，包覆效果均匀且能够形成单分散状态；与聚砜基体材料复合，可以使复合材料具有高的介电常数和低的介电损耗。
但现有技术中使用陶瓷颗粒与聚合物基体复合时，一般需要较大的陶瓷颗粒添加量才能使复合材料具有较高的介电常数，而陶瓷颗粒添加较多，会使复合材料的韧性和加工性能受到很大影响，不利于其在薄膜电容器中的应用。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的聚合物/陶瓷填料复合介电材料存在的上述问题，提供一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料及其制备方法，用铁电陶瓷材料钛酸钡和导电粒子炭黑混合作为填料，并用无定型二氧化硅层对混合填料进行包覆，制成具有核壳结构的改性填料，并通过在钛酸钡粉体和炭黑表面引入带正电荷的基团，改善无定型二氧化硅层的包覆均匀性及与钛酸钡粉体和炭黑的结合紧密度，从而在较低的改性填料的添加量下，可以使复合介电薄膜材料具有高的介电常数及低的介电损耗。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料，原料包括质量比为100:1～20的聚砜树脂及改性填料；所述的改性填料为无定型二氧化硅包覆的钛酸钡及无定型二氧化硅包覆的炭黑的混合物，其制备方法包括如下步骤：
A)用过氧化氢溶液对混合粉体进行处理，得到表面羟基化的混合粉体；所述的混合粉体包括质量比为10～15:1的钛酸钡和炭黑；
B)将表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷反应，得到巯基改性的混合粉体；
C)将巯基改性的混合粉体与二甲基二烯丙基氯化铵反应，得到季铵基团改性的混合粉体；
D)将季铵基团改性的混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，分散均匀后滴加正硅酸乙酯，搅拌反应2～4h后再滴加氨水，继续搅拌反应6～8h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料。
本发明同时采用铁电陶瓷材料钛酸钡和导电粒子炭黑作为填料对聚砜树脂进行填充，用导电粒子代替部分陶瓷材料后，可使复合材料的介电常数在较低填充量下即能得到较大的提升。同时，为了降低复合材料的介电损耗，本发明在钛酸钡和炭黑表面包覆了无定型二氧化硅。一方面，无定型二氧化硅的包覆可以形成屏障，阻止导电粒子间的接触，阻碍电子在粒子间的迁移，从而避免由于导电粒子的加入而形成导电通路，降低复合材料的介电损耗；另一方面，无定型二氧化硅层的包覆可以提升钛酸钡和炭黑粒子在聚合物基体中的分散性，减少二者界面出现缺陷的可能，进一步降低复合材料的介电损耗；并且，无定型二氧化硅层的包覆也有利于提升复合材料的击穿场强。
而直接采用溶胶凝胶法对钛酸钡和炭黑进行包覆时，壳层沉积的均匀度难以控制，并且由于未经改性的碳酸钡和炭黑表面不平整，会导致包覆后的无定形二氧化硅壳层与内核间的结合力不佳，壳层容易在复合材料的后续制备过程中破裂或脱落，且壳层与内核之间存在部分空隙，而这些空隙的存在会影响改性填料介电常数的提升。因此，本发明在包覆二氧化硅前，对钛酸钡和炭黑的表面进行了改性，先用过氧化氢对填料进行处理，在表面引入羟基；再通过含巯基硅烷偶联剂与填料表面羟基的反应，在填料表面引入巯基；然后利用巯基与二甲基二烯丙基氯化铵中的双键的点击化学反应，在填料表面引入季铵基团。在填料表面接枝硅烷偶联剂和二甲基二烯丙基氯化铵后，可以在填料表面形成包覆层，提升填料表面的光滑度，减少填料表面缺陷的存在；并且在正硅酸乙酯水解的过程中，填料表面的带正电的季铵基团可以吸附带负电荷的≡SiO-，对二氧化硅壳层的包覆起到导向作用，提升了壳层在内核表面沉积的均匀性，并提升了壳层与内核间的结合力。因此，本发明的方法制得的改性填料，在壳层与内核之间设置了一层有机层，提升了壳层的均匀性及与内核间的结合力，减少了壳层与内核间的空隙，可有效提升改性填料的介电常数并减少其介电损耗。
作为优选，步骤A)中的处理方法为：将混合粉体加入过氧化氢溶液中，超声分散均匀后在95～105℃下反应2～4h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；钛酸钡的粒径为100～500nm；炭黑的粒径为30～50nm。
作为优选，步骤B)的反应方法为：将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀后35～40℃下反应4～6h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1～2。
作为优选，步骤C)中的反应方法为：将巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈加入乙醇溶液中，氮气保护下80～90℃反应12～24h，将产物分离、清洗、干燥后得到季铵基团改性的混合粉体；巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈的质量比为2～3:1:0.05～0.1。
作为优选，步骤D)中，季铵基团改性的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为 1g:20～30mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为2～3:1；季铵基团改性的混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:3～5mL；加入氨水后体系的pH为9～10。
本发明还提供了一种上述聚砜/改性填料复合介电薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚砜树脂加入有机溶剂中，溶解后得到聚砜溶液；
(2)将改性填料加入有机溶剂中，分散均匀后得到改性填料分散液；
(3)将改性填料分散液加入聚砜溶液中，混合均匀得到复合溶液；
(4)将复合溶液刮涂在玻璃基板上形成复合薄膜，热处理去除有机溶剂；
(5)将玻璃基板置于去离子水中剥离复合薄膜，并将复合薄膜真空干燥后得到所述聚砜/改性填料复合介电薄膜材料。
作为优选，步骤(1)和(2)中的有机溶剂选自二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
作为优选，步骤(1)中聚砜溶液的质量浓度为10～50％；步骤(2)中改性填料与有机溶剂的质量体积比为1g:5～15mL。
作为优选，步骤(4)中复合溶液的刮涂厚度为3～20μm；热处理方法为：先在真空烘箱中于30～80℃下处理2～6h，然后转移至鼓风烘箱中在150～220℃处理4～8h。
作为优选，步骤(5)中的真空干燥温度为50～100℃，真空干燥时间1～4h。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)同时采用铁电陶瓷材料钛酸钡和导电粒子炭黑作为填料对聚砜树脂进行填充，用导电粒子代替部分陶瓷材料后，可使复合材料的介电常数在较低填充量下即能得到较大的提升；
(2)在钛酸钡和炭黑表面包覆无定型二氧化硅，可降低复合材料介电损耗，提升其击穿场强；
(3)在钛酸钡粉体和炭黑表面引入带正电荷的基团，改善无定型二氧化硅层的包覆均匀性及与钛酸钡粉体和炭黑的结合紧密度，从而提升改性填料的介电常数，降低其介电损耗。
附图说明
图1是本发明实施例1中制得的复合薄膜材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
本发明的各实施例中，钛酸钡采用麦克林公司的纳米钛酸钡颗粒，粒径100nm；炭黑购自浙江亚美纳米科技有限公司，粒径50nm；聚砜树脂采用巴斯夫S1010。
实施例1：
一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备改性填料，方法为：
A)将混合粉体加入浓度为30wt％的过氧化氢溶液中，混合粉体与过氧化氢溶液的质量体积比为1g:50mL，超声分散均匀后在100℃下回流反应3h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；混合粉体包括质量比为12:1的钛酸钡和炭黑；
B)将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，表面羟基化的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:5mL，水和乙醇的体积比为1:9；再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1.5，氨水的质量分数为 25～28wt％，氨水与混合溶剂的体积比为1:10；超声混合均匀后37℃下反应5h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；
C)将质量比为2.5:1:0.06的巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈按加入乙醇溶液中，巯基改性的混合粉体与乙醇溶液的质量体积比为1g:80mL，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为7:1；氮气保护下85℃反应18h，将产物分离、清洗、干燥后得到季铵基团改性的混合粉体；
D)将季铵基团改性的混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，季铵基团改性的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:25mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为3:1；分散均匀后滴加正硅酸乙酯，季铵基团改性的混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:4mL，搅拌反应3h后再滴加25～28wt％的氨水，至体系的pH为9.5，继续搅拌反应7h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料；
(2)将聚砜树脂加入N,N-二甲基乙酰胺中，加热至60℃搅拌至完全溶解后得到质量浓度为 20％的聚砜溶液；
(3)按质量体积比1g:10mL将改性填料加入N,N-二甲基乙酰胺中，超声分散30min后得到改性填料分散液；
(4)将改性填料分散液加入聚砜溶液中，改性填料与聚砜树脂的质量比为2:100，搅拌30min 后得到复合溶液；
(5)将复合溶液用滴管均匀滴在玻璃基板上，调整刮刀高度至15μm，刮涂得到均匀的复合薄膜；将刮有复合薄膜的玻璃基板，先放置在45℃真空烘箱中抽真空干燥4h，再转移至180℃的鼓风烘箱中干燥4h，去除有机溶剂；
(6)从鼓风烘箱中取出玻璃基板，置于去离子水中，10min后剥离复合薄膜，并将其置于真空烘箱，在60℃下抽真空干燥2h，得到所述聚砜/改性填料复合介电薄膜材料；其SEM图如图1所示。
实施例2：
一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备改性填料，方法为：
A)将混合粉体加入浓度为30wt％的过氧化氢溶液中，混合粉体与过氧化氢溶液的质量体积比为1g:40mL，超声分散均匀后在95℃下回流反应4h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；混合粉体包括质量比为15:1的钛酸钡和炭黑；
B)将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，表面羟基化的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:5mL，水和乙醇的体积比为1:9；再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1，氨水的质量分数为 25～28wt％，氨水与混合溶剂的体积比为1:10；超声混合均匀后40℃下反应4h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；
C)将质量比为2:1:0.05的巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈按加入乙醇溶液中，巯基改性的混合粉体与乙醇溶液的质量体积比为1g:100mL，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为6:1；氮气保护下80℃反应24h，将产物分离、清洗、干燥后得到季铵基团改性的混合粉体；
D)将季铵基团改性的混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，季铵基团改性的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:30mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为2:1；分散均匀后滴加正硅酸乙酯，季铵基团改性的混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:5mL，搅拌反应2h后再滴加25～28wt％的氨水，至体系的pH为9.1，继续搅拌反应8h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料；
(2)将聚砜树脂加入N,N-二甲基乙酰胺中，加热至60℃搅拌至完全溶解后得到质量浓度为 15％的聚砜溶液；
(3)按质量体积比1g:5mL将改性填料加入N,N-二甲基乙酰胺中，超声分散30min后得到改性填料分散液；
(4)将改性填料分散液加入聚砜溶液中，改性填料与聚砜树脂的质量比为5:100，搅拌30min 后得到复合溶液；
(5)将复合溶液用滴管均匀滴在玻璃基板上，调整刮刀高度至15μm，刮涂得到均匀的复合薄膜；将刮有复合薄膜的玻璃基板，先放置在30℃真空烘箱中抽真空干燥6h，再转移至150℃的鼓风烘箱中干燥8h，去除有机溶剂；
(6)从鼓风烘箱中取出玻璃基板，置于去离子水中，10min后剥离复合薄膜，并将其置于真空烘箱，在50℃下抽真空干燥4h，得到所述聚砜/改性填料复合介电薄膜材料。
实施例3：
一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备改性填料，方法为：
A)将混合粉体加入浓度为30wt％的过氧化氢溶液中，混合粉体与过氧化氢溶液的质量体积比为1g:60mL，超声分散均匀后在105℃下回流反应2h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；混合粉体包括质量比为10:1的钛酸钡和炭黑；
B)将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，表面羟基化的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:5mL，水和乙醇的体积比为1:9；再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:2，氨水的质量分数为 25～28wt％，氨水与混合溶剂的体积比为1:10；超声混合均匀后35℃下反应6h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；
C)将质量比为3:1:0.1的巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈按加入乙醇溶液中，巯基改性的混合粉体与乙醇溶液的质量体积比为1g:80mL，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为7:1；氮气保护下90℃反应12h，将产物分离、清洗、干燥后得到季铵基团改性的混合粉体；
D)将季铵基团改性的混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，季铵基团改性的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:20mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为3:1；分散均匀后滴加正硅酸乙酯，季铵基团改性的混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:3mL，搅拌反应4h后再滴加25～28wt％的氨水，至体系的pH为10.0，继续搅拌反应6h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料；
(2)将聚砜树脂加入N,N-二甲基乙酰胺中，加热至60℃搅拌至完全溶解后得到质量浓度为 30％的聚砜溶液；
(3)按质量体积比1g:15mL将改性填料加入N,N-二甲基乙酰胺中，超声分散30min后得到改性填料分散液；
(4)将改性填料分散液加入聚砜溶液中，改性填料与聚砜树脂的质量比为8:100，搅拌30min 后得到复合溶液；
(5)将复合溶液用滴管均匀滴在玻璃基板上，调整刮刀高度至15μm，刮涂得到均匀的复合薄膜；将刮有复合薄膜的玻璃基板，先放置在30℃真空烘箱中抽真空干燥6h，再转移至150℃的鼓风烘箱中干燥8h，去除有机溶剂；
(6)从鼓风烘箱中取出玻璃基板，置于去离子水中，10min后剥离复合薄膜，并将其置于真空烘箱，在50℃下抽真空干燥4h，得到所述聚砜/改性填料复合介电薄膜材料。
实施例4：
实施例4的步骤(4)中，改性填料与聚砜树脂的质量比为12:100，其余均与实施例1中相同。
实施例5：
实施例5的步骤(4)中，改性填料与聚砜树脂的质量比为20:100，其余均与实施例1中相同。
对比例1(不添加改性填料)：
一种聚砜薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚砜树脂加入N,N-二甲基乙酰胺中，加热至60℃搅拌至完全溶解后得到质量浓度为 20％的聚砜溶液；
(2)将聚砜溶液用滴管均匀滴在玻璃基板上，调整刮刀高度至15μm，刮涂得到均匀的聚砜薄膜；将刮有聚砜薄膜的玻璃基板，先放置在45℃真空烘箱中抽真空干燥4h，再转移至180℃的鼓风烘箱中干燥4h，去除有机溶剂；
(3)从鼓风烘箱中取出玻璃基板，置于去离子水中，10min后剥离聚砜薄膜，并将其置于真空烘箱，在60℃下抽真空干燥2h，得到所述聚砜薄膜材料。
对比例2(填料不包覆无定型二氧化硅)
对比例2中改性填料的制备方法为：
A)将混合粉体加入浓度为30wt％的过氧化氢溶液中，混合粉体与过氧化氢溶液的质量体积比为1g:40mL，超声分散均匀后在95℃下回流反应4h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；混合粉体包括质量比为12:1的钛酸钡和炭黑；
B)将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，表面羟基化的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:5mL，水和乙醇的体积比为1:9；再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1，氨水的质量分数为 25～28wt％，氨水与混合溶剂的体积比为1:10；超声混合均匀后40℃下反应4h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；
C)将质量比为2.5:1:0.05的巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈按加入乙醇溶液中，巯基改性的混合粉体与乙醇溶液的质量体积比为1g:100mL，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为6:1；氮气保护下80℃反应24h，将产物分离、清洗、干燥后得到改性填料；其余均与实施例5中相同。
对比例3(填料中不添加炭黑)：
对比例3的改性填料制备时，仅使用钛酸钡，其余均与实施例5中相同。
对比例4(填料中不添加钛酸钡)：
对比例4的改性填料制备时，仅使用炭黑，其余均与实施例5中相同。
对比例5(填料表面直接包覆二氧化硅)：
对比例5中改性填料的制备方法为：将混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，混合粉体包括质量比为12:1的钛酸钡和炭黑，混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:25mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为3:1；分散均匀后滴加正硅酸乙酯，混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:4mL，搅拌反应3h后再滴加25～28wt％的氨水，至体系的pH为9.5，继续搅拌反应7h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料；其余均与实施例5中相同。
对比例6(填料表面不引入季铵基团)：
对比例6中改性填料的制备方法为：
A)将混合粉体加入浓度为30wt％的过氧化氢溶液中，混合粉体与过氧化氢溶液的质量体积比为1g:50mL，超声分散均匀后在100℃下回流反应3h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；混合粉体包括质量比为12:1的钛酸钡和炭黑；
B)将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，表面羟基化的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:5mL，水和乙醇的体积比为1:9；再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1.5，氨水的质量分数为 25～28wt％，氨水与混合溶剂的体积比为1:10；超声混合均匀后37℃下反应5h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；
D)将巯基改性的混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，巯基改性的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:25mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为3:1；分散均匀后滴加正硅酸乙酯，巯基改性的混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:4mL，搅拌反应3h后再滴加25～28wt％的氨水，至体系的pH为9.5，继续搅拌反应7h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料；
其余均与实施例5中相同。
对比例7(巯基硅烷偶联剂和季铵盐直接与填料混合)：
对比例7中的改性填料的制备方法为：将质量比为1:1.5:1的混合粉体、γ-巯丙基三甲氧基硅烷和二甲基二烯丙基氯化铵加入乙醇和水的混合溶剂中，混合粉体包括质量比为12:1的钛酸钡和炭黑，混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:25mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为 3:1；分散均匀后滴加正硅酸乙酯，混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:4mL，搅拌反应3h后再滴加25～28wt％的氨水，至体系的pH为9.3，继续搅拌反应7h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料；其余均与实施例5中相同。
对比例8(巯基硅烷偶联剂和二甲基二烯丙基氯化铵添加过多)：
对比例8中的改性填料制备过程中，步骤B)中表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:3；步骤C)中巯基改性的混合粉体和二甲基二烯丙基氯化铵的质量比为 4:1；其余均与实施例5中相同。
对上述实施例和对比例中制得的薄膜材料的介电性能进行测试，结果如表1中所示。
表1：薄膜材料性能测试结果。
Figure BDA0003696296210000091
Figure BDA0003696296210000101
从表1中可以看出，实施例1～5中采用本发明中的方法，在较小的改性填料填充量下，薄膜材料的介电常数与对比例1中的纯聚砜薄膜相比即可获得显著提升，且具有较低的介电损耗。
对比例2中不在钛酸钡和炭黑表面包覆无定型二氧化硅，复合材料的介电损耗与实施例5中相比显著上升。对比例3中仅使用无定型二氧化硅包覆的钛酸钡作为填料，不添加无定型二氧化硅包覆的炭黑，在同样的填充量下，薄膜材料的介电常数与实施例5中相比显著降低。对比例4中仅使用无定型二氧化硅包覆的炭黑作为填料，不添加无定型二氧化硅包覆的钛酸钡，薄膜材料的介电损耗较大。
对比例5中不对钛酸钡和炭黑表面进行改性，直接用溶胶凝胶法在其表面包覆二氧化硅，与实施例5中相比，薄膜材料的介电常数下降且介电损耗显著上升；可能是由于不对混合填料表面进行预先改性，直接包覆二氧化硅时，混合填料在溶液中的分散性不佳，且缺少了表面阳离子的导向作用，导致壳层包覆不均匀，且与内核之间的结合力不佳，存在空隙。对比例6中在包覆二氧化硅前仅用硅烷偶联剂对钛酸钡和炭黑进行改性，但不接枝季铵基团，薄膜材料的介电损耗与实施例1相比也有上升，可能是因为缺少了季铵基团的导向作用，壳层在内核表面的沉积不均，导致介电损耗上升。对比例7中不预先将含巯基的硅烷偶联剂和二甲基二烯丙基氯化铵与混合填料依次进行反应，而是在包覆二氧化硅前直接将二者与混合填料共混，复合材料的介电常数与实施例5中相比有所降低，介电损耗上升；但与对比例5 中直接包覆二氧化硅相比，介电损耗有所下降；可能是由于直接将硅烷偶联剂和季铵盐与混合填料共混，有利于提升包覆二氧化硅过程中混合填料的分散性，从而与对比例5中直接包覆相比可降低材料的介电损耗；但由于季铵基团没有连接在混合填料表面，不利于对二氧化硅在混合填料表面的沉积进行导向，无法有效提升二氧化硅的包覆均匀性，因此与实施例相比介电损耗上升。对比例8中混合填料表面修饰的巯基硅烷偶联剂和二甲基二烯丙基氯化铵过多，有机层过厚也会影响复合材料的介电性能。

Claims (10)

1.一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料，其特征是，原料包括质量比为100:1~20的聚砜树脂及改性填料；所述的改性填料为无定型二氧化硅包覆的钛酸钡及无定型二氧化硅包覆的炭黑的混合物，其制备方法包括如下步骤：
A）用过氧化氢溶液对混合粉体进行处理，得到表面羟基化的混合粉体；所述的混合粉体包括质量比为10~15:1的钛酸钡和炭黑；
B）将表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷反应，得到巯基改性的混合粉体；
C）将巯基改性的混合粉体与二甲基二烯丙基氯化铵反应，得到季铵基团改性的混合粉体；
D）将季铵基团改性的混合粉体加入乙醇和水的混合溶剂中，分散均匀后滴加正硅酸乙酯，搅拌反应2~4h后再滴加氨水，继续搅拌反应6~8h，将产物分离、清洗、干燥后得到所述改性填料。
2.根据权利要求1所述的一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料，其特征是，步骤A）中的处理方法为：将混合粉体加入过氧化氢溶液中，超声分散均匀后在95~105℃下反应2~4h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的混合粉体；钛酸钡的粒径为100~500nm；炭黑的粒径为30~50nm。
3.根据权利要求1所述的一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料，其特征是，步骤B）的反应方法为：将表面羟基化的混合粉体加入水和乙醇的混合溶剂中，再加入氨水和γ-巯丙基三甲氧基硅烷，混合均匀后35~40℃下反应4~6h，将产物分离、清洗、干燥后得到巯基改性的混合粉体；表面羟基化的混合粉体与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1:1~2。
4.根据权利要求1所述的一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料，其特征是，步骤C）中的反应方法为：将巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈加入乙醇溶液中，氮气保护下80~90℃反应12~24h，将产物分离、清洗、干燥后得到季铵基团改性的混合粉体；巯基改性的混合粉体、二甲基二烯丙基氯化铵和偶氮二异丁腈的质量比为2~3:1:0.05~0.1。
5.根据权利要求1所述的一种聚砜/改性填料复合介电薄膜材料，其特征是，步骤D）中，季铵基团改性的混合粉体与混合溶剂的质量体积比为1g:20~30mL，混合溶剂中乙醇和水的体积比为2~3:1；季铵基团改性的混合粉体与正硅酸乙酯的质量体积比为1g:3~5mL；加入氨水后体系的pH为9~10。
6.一种如权利要求1~5任一所述的聚砜/改性填料复合介电薄膜材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）将聚砜树脂加入有机溶剂中，溶解后得到聚砜溶液；
（2）将改性填料加入有机溶剂中，分散均匀后得到改性填料分散液；
（3）将改性填料分散液加入聚砜溶液中，混合均匀得到复合溶液；
（4）将复合溶液刮涂在玻璃基板上形成复合薄膜，热处理去除有机溶剂；
（5）将玻璃基板置于去离子水中剥离复合薄膜，并将复合薄膜真空干燥后得到所述聚砜/改性填料复合介电薄膜材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是，步骤（1）和（2）中的有机溶剂选自二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征是，步骤（1）中聚砜溶液的质量浓度为10~50%；步骤（2）中改性填料与有机溶剂的质量体积比为1g:5~15mL。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是，步骤（4）中复合溶液的刮涂厚度为3~20μm；热处理方法为：先在真空烘箱中于30~80℃下处理2~6h，然后转移至鼓风烘箱中在150~220℃处理4~8 h。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是，步骤（5）中的真空干燥温度为50~100℃，真空干燥时间1~4h。
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