[发明专利]一种聚合物改性石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料及其制备方法

说明书

一种聚合物改性石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料及其制备方法，该复合材料以聚偏氟乙烯为基体，以先后经氨基硅烷与聚合物接枝改性的石墨烯为介电增强功能填料，依次经溶液共混、静电纺丝与叠层热压成型后制备获得。本发明以界面与空间微结构的双重调控为基础，通过对石墨烯表面进行聚合物接枝改性与静电纺丝工艺相结合的方法，有效实现高填充量石墨烯填料在聚偏氟乙烯基体中的均匀分散，所得石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料的介电常数有明显提高，且介电损耗因子较低，使其适用于埋入式电容器与高能量密度储能器等领域。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种聚合物改性石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料及其制备方法。

背景技术

尽管聚合物材料有着优良的力学性能、化学稳定性与电绝缘性，但其介电常数较低，一般在10以下，所以大大地限制了它们的应用范围。近年来，科研工作者发现通过向聚合物中加入导电填料能够得到具有高介电常数的导电填料/聚合物复合材料。根据渗流理论，当导电填料的含量非常接近渗流阈值但还不足以使导电网络形成时，导电填料之间虽然极为接近却仍彼此分离，相当于向聚合物基体中引入了大量的微电容器结构。这些微电容器的存在能够大幅度地提高所得导电填料/聚合物复合材料的介电常数，使该类材料在埋入式电容器、高能量密度储能器、介电弹性体等方面极具应用前景。但是，通常情况下所使用的导电填料多为无机材料，与有机聚合物之间的相容性较差，在聚合物基体中易于团聚，严重影响了导电填料/聚合物复合材料的介电性能。因此，改善无机填料与有机聚合物之间的界面相容性并使其均匀分散在聚合物基体之中对于提高导电填料/聚合物复合材料的介电常数显得尤为重要。

作为新型纳米碳材料，石墨烯具有优异的电学性能、力学性能与热传导性能，有望成为理想的介电增强功能填料。另一方面，聚偏氟乙烯（PVDF）是一种介电常数较高的聚合物，将其作为基体将有利于提高渗流型复合材料的介电常数。因此，将石墨烯与聚偏氟乙烯进行有效复合可望得到介电性能优良的复合材料。关于石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料的研究可参考文献（“石墨烯的制备及石墨烯/PVDF复合材料介电性能的研究”，宋洪松，刘大博，化学工程师，2011年）。根据该文献报导，当石墨烯用量达到0.25wt.%时接近于渗流阈值，复合材料在1000Hz处的介电常数接近为16，比纯PVDF提高了70%。尽管该体系表现出较好的介电性能，但仍然有较大的提升空间。而中国发明专利（“一种聚偏氟乙烯/石墨烯复合材料及其制备方法”，薛林新，刘富，林海波，沈剑辉，向艳慧，申请号201310372686.2）通过熔融共混法制备了石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料，当石墨烯含量为3wt.%时，尽管复合材料在1000Hz处的介电常数可达100，但在1000Hz处的介电损耗因子却高达3000，因此难以满足实际应用的要求。综上所述，获得介电性能良好的石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料其关键在于：如何使石墨烯填料与聚偏氟乙烯之间有较好的界面相容性并有效调控石墨烯在聚偏氟乙烯基体中的空间分布状况，使得石墨烯既不团聚也不互相接触而形成导电网络，有效提高复合材料的渗流阈值，进而在实现石墨烯高填充量的情况下提升复合材料的介电常数并维持较低的介电损耗因子。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物改性石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料及其制备方法。首先使用氨基硅烷对石墨烯进行改性使其在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中有良好的分散性。再通过引发剂过氧化二苯甲酰在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中同时攻击石墨烯与聚合物，利用产生的自由基实现石墨烯的聚合物表面接枝改性，增加石墨烯与聚偏氟乙烯之间的相容性。同时利用静电纺丝工艺令到聚合物改性石墨烯在聚偏氟乙烯基体中有效分散。最终通过对石墨烯/聚偏氟乙烯电纺膜进行叠层热压成型制备得到聚合物改性石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料。

本发明的技术方案如下：

一种聚合物改性石墨烯/聚偏氟乙烯高介电复合材料，该复合材料以聚偏氟乙烯为基体，以先后经氨基硅烷与聚合物接枝改性的石墨烯为介电增强功能填料，依次经溶液共混、静电纺丝与叠层热压成型后制备获得。

所述改性石墨烯占复合材料重量百分数的4-16wt.%。