[发明专利]一种利用酰氯类小分子优化钽铌酸钾/聚偏氟乙烯薄膜介电性能的方法

说明书

本发明公开了一种利用酰氯类小分子优化钽铌酸钾/聚偏氟乙烯复合薄膜介电性能的方法。首先，借助界面亲和反应利用不同官能团的酰氯类小分子对钽铌酸钾(KTN)表面进行改性。随后，将改性后的KTN粒子加入聚偏氟乙烯(PVDF)中，制备出相应的复合薄膜。由于修饰后KTN粒子与聚合物基体的相容性加强，所得的复合薄膜介电损耗和击穿场强得到明显的改善。本发明所制备的2‑丙烯‑1‑磺酰氯改性的复合薄膜(KTN‑SC/PVDF)、苄磺酰氯改性的复合薄膜(KTN‑ATC/PVDF)、甲基丙烯酰氯改性的复合薄膜(KTN‑MAC)的介电损耗都低于与未改性KTN/PVDF薄膜。三种改性剂改性的复合薄膜在击穿场强方面均显示出明显的提升，其中掺杂体积分数为百分之3的KTN‑SC/PVDF薄膜的击穿场强提升最高，相比相同浓度未改性的KTN/PVDF薄膜提高了2.87倍。

技术领域

本发明涉及纳米复合薄膜制备技术领域，一种利用酰氯类小分子优化钽铌酸钾/聚偏氟乙烯复合薄膜介电性能的方法。

背景技术

近年来，陶瓷/聚合物复合材料由于其优越的电学性能，被广泛应用于电容器、栅基绝缘层、印刷电路板、和微波基板的制作。与传统的陶瓷介电材料相比，无机纳米颗粒/聚合物纳米复合电介质是目前最有前景的介电聚合物之一。该材料由于能够将陶瓷介电填料的高介电常数和具有高电击穿场强的聚合物基体材料相结合，从而使复合薄膜具有较高的击穿场强和介电性能。在纳米复合材料中，聚合物和纳米填料之间的界面对整体的性能起着主导作用，因为如果能够保证均匀分散，超细纳米颗粒可以与聚合物基体良好相容。然而，由于单个纳米粒子具有较高的界面能，纳米粒子间容易产生聚集现象，形成缺陷中心。缺陷中心会导致局部电场的增强以及击穿场强的降低。因此，改善无机纳米填料的分散性对提高纳米复合材料的综合性能具有重要意义。目前，改善纳米填料的较为有效的手段为通过羟基化、偶联剂、磷酸和多巴胺等有机分子对纳米粒子进行表面改性。

相比于常见的小分子改性剂，酰氯类小分子具有较多的种类。不同酰氯类小分子之间各异的官能团对探究官能团种类对纳米粒子的极性与聚合物基体相容性的影响有重要意义。此外，酰氯类小分子所带来的缺电子官能团可以为整体的复合薄膜引入了更多的深陷阱，使薄膜整体的击穿场强上升。然而，目前针对使用酰氯类小分子改性复合薄膜的报告较少。这主要是酰氯类小分子无法对未处理的纳米粒子进行直接改性。

本发明先通过水热法制备的钽铌酸钾(KTN)纳米粒子，所得KTN富有大量的羟基，利用KTN纳米粒子界面的羟基和酰氯类小分子的亲核反应脱去一个HCl分子，使得KTN纳米粒子界面接上酰氯类小分子携带的官能团，实现改性的目的。由于修饰后KTN粒子与聚合物基体的相容性加强，所得的复合薄膜介电损耗和击穿场强得到明显改善。其中，选择甲基丙烯酰氯(MAC)改性的KTN-MAC/PVDF复合薄膜的损耗角正切值低于0.025(在10³赫兹时)，掺杂体积分数为百分之五的KTN-MAC/PVDF的损耗角正切值仅为相同掺杂浓度未改性的KTN/PVDF薄膜的百分之四十；使用2-丙烯-1-磺酰氯(SC)改性的KTN-SC/PVDF复合薄膜的击穿场强相比未改性的KTN/PVDF薄膜提高了百分之二十，最高可达到381.31千伏/毫米。

发明内容

本发明提供一种利用酰氯类小分子优化钽铌酸钾/聚偏氟乙烯复合薄膜介电性能的方法。以聚偏氟乙烯(PVDF)为聚合物基体，钽铌酸钾(KTN)为纳米填料，利用含有不同官能团的酰氯类小分子作为改性剂对KTN进行表面改性，制备出相应的KTNPVDF复合薄膜。

具体操作包括：

1)水热法合成纳米尺寸的钽铌酸钾(KTN)粉末，作为纳米填料；

2)对KTN表面进行改性，取1.5克KTN粉末溶解在10毫升DMF溶液中得到混合物1，向混合物1缓慢滴入一定量的酰氯类小分子作为改性剂；

3)加入0.15克无水碳酸钾以除去亲核反应生成的氯化氢，室温反应12-24小时；