[发明专利]一种功能化陶瓷纤维填充的聚偏氟乙烯纳米复合材料的制备方法

说明书

一种功能化陶瓷纤维填充的聚偏氟乙烯纳米复合材料的制备方法，涉及一种聚偏氟乙烯纳米复合材料的制备方法。一、静电纺丝；二、晶化处理；三、表面修饰；四、溶液涂覆；五、磁化处理。本发明在较低体积分数(≤20％)功能化陶瓷纤维填充量下获得磁化的PVDF基纳米复合材料，具有巨介电常数值和超高的电导率值以及电容值，分别为7.7×10⁴、8.85×10^‑4S/cm和4.203×10^‑6F，且该材料保持良好的柔韧性，可用于聚合物储能、电磁屏蔽和传感器应用领域。

技术领域

本发明涉及一种聚偏氟乙烯纳米复合材料的制备方法。

背景技术

聚合物纳米复合电介质被广泛应用在电力、电子、航空航天等军民用领域，尤其是兼具优良介电、铁电和热释电性能的聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物材料，成为制备嵌入式薄膜介质电容器、脉冲功率器件、电磁屏蔽器件以及磁控传感器等优选材料。而现有的高介电陶瓷类填充相，如钛酸钡、钛酸铜钙以及其掺杂物等，增强PVDF材料的介电常数均在10²数量级，并且是在高体积分数(40％以上)陶瓷填充下获得，况且其电导率值远低于金属填充相所得的聚合物材料，其电容值较低，而大量填充相势必降低聚合物的可加工性能。因此，急需开发具有功能化的陶瓷填充相填充的PVDF基纳米复合材料，使其获得更高的介电常数值，并期待兼具较大的电导率和电容值，突破其在储能器、电磁屏蔽以及传感器等器件上应用的瓶颈问题。

发明内容

本发明是为了解决现有在低体积分数(≤20％)陶瓷填料下聚偏氟乙烯复合材料介电常数、电导率和电容值增强不显著的技术问题，提供一种功能化陶瓷纤维填充的聚偏氟乙烯纳米复合材料的制备方法。

本发明功能化陶瓷纤维填充的聚偏氟乙烯纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

一、静电纺丝：向乙醇溶剂中加入乙酸，保持磁力搅拌状态，再依次加入乙酸铜、硝酸钙和钛酸四丁酯，每次加入均磁力搅拌均匀，最后加入聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌6h，制备得到钛酸铜钙前驱体溶液，用注射器抽取前驱体溶液置于静电纺丝设备中进行纺丝，设置接收距离10～20cm，推注速度0.1～0.4mm/min，接收速度80～120r/min，施加电压±(9～15)kV，获得丝状钛酸铜钙前驱体；

二、晶化处理：将步骤一所得到的丝状钛酸铜钙前驱体置于马弗炉中，以升温速率为2～10℃/min，升温至300～500℃，保温时间1～3h，再以2～10℃/min的速率升温至800～1000℃，保温时间1～3h，冷却至室温后得到晶化的钛酸铜钙纳米纤维；

三、表面修饰：将步骤二所得到的晶化的钛酸铜钙纳米纤维依次置于粗化液、敏化液、活化液中浸泡5～30min，每次浸入液体处理后均用去离子水反复清洗后再浸入下一个液体中，然后将活化的钛酸铜钙纳米纤维置于镀液中1～30min，设置温度90～95℃，电动搅拌速率100～200r/min，控制pH值为11～13，装载量为3～10g/L，最后经过滤清洗制备表面镀镍的功能化钛酸铜钙纳米纤维；

四、溶液涂覆：将步骤三所得到的功能化钛酸铜钙纳米纤维填加到二甲基甲酰胺溶剂中，超声0.5～10min后填加PVDF粉，并加热电动搅拌，设置温度50～80℃，搅拌转速为80～150r/min，搅拌时间1.5～2.5h，然后静止陈化4～10h，将粘稠的混合液涂于洁净玻璃板上，置于烘箱60～90℃处理15～30h，获得功能化钛酸铜钙纤维/PVDF纳米复合材料，其中，功能化钛酸铜钙纤维与PVDF粉的体积比为(0.0309～0.2500)：1；

五、磁化处理：将步骤四所得到的功能化钛酸铜钙纤维/PVDF纳米复合材料置于磁场发生器中，设置磁场强度为0.5～2.5T，温度90～180℃，处理时间10～100min，冷却后制得磁化的PVDF基纳米复合材料。

进一步的，步骤一中乙酸铜、硝酸钙和钛酸四丁酯的摩尔比为1:3:4；