耐高温和高介电聚合物基复合介电材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了耐高温和高介电聚合物基复合介电材料及制备方法和应用，属于高分子介电材料技术领域。本发明专利技术的耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，以热塑性聚合物为基材，所述基材中均匀分布有双核壳结构的无机填料。本发明专利技术所述双核壳结构的无机填料为无机颗粒经第一交联剂表面修饰后，再经第二交联剂交联而成。本发明专利技术的复合介电材料不仅具有优异的耐热性，还兼具高介电性能，可应用于微电子、航空航天、集成电路以及高效率储能元件等需要高温环境的领域，进一步拓宽了介电材料的应用范围。本发明专利技术的制备方法简单，条件温和，原料易得。

【技术实现步骤摘要】
耐高温和高介电聚合物基复合介电材料及制备方法和应用
本专利技术属于高分子介电材料
，具体涉及耐高温和高介电聚合物基复合介电材料及制备方法和应用。
技术介绍
随着电子信息技术的快速发展和对电子能源系统需求的不断增加，新型储能电子元器件正朝着多功能化、高性能化和微型化的方向发展。电介质材料是储能电容器的核心部件，对电容器的储能密度和充放电效率都起着决定性的作用。介电材料的储能密度与电介质的介电常数成正比，与外电电场强度的平方根也成正比，因此要想获取高储能密度的电容器，电子信息技术产业则急需具有高介电常数的电介质材料。同时，在一些特殊场合储能电容器的耐热性也成为了一个重要指标，特别是在隔热部件、雷达天线屏蔽罩和耐高温耐辐射壳体等应用方面，因此发展高耐热、大容量和高介电常数复合材料势在必行。聚合物基介电材料具有柔韧性好、加工容易和击穿强度高等优点，引起了众多研究者的关注。如何提高聚合物复合材料的介电常数和热稳定性是当前需要克服的技术难点。在聚合物中添加高介电陶瓷或导电填料可以有效增加聚合物的介电常数和击穿强度，这是由于复合材料中填料与基体可以形成填料-绝缘体/弹性体-填料的微电容器结构。因此，合理调控填料粒子在聚合物中的分散性对于制备高介电聚合物基复合材料有着重要的意义。目前，现有的聚合物电介质的介电常数大多只有2-4，最高的为聚偏二氟乙烯(PVDF)，但是其介电常数也仅有10左右，且在耐温方面也具有一定的局限性，难以满足电子信息技术产业对介电材料的要求。提升聚合物介电常数的方法主要有两种途径：一种是在高分子的主链或侧链引入具有适当偶极耦合的高极性基团，提高分子极性的同时抑制介电损耗，但其制备工艺繁琐，产量低，难度较大，难以实现工业化生产；且制备的聚合物介电常数提升作用有限，难以满足储能电容器使用需求。另一种是采用有机/无机材料复合的方法制备聚合物基复合材料。例如：CN105086297A中公布了一种高介电陶瓷/聚合物复合材料的制备方法，利用不同层间的介电特性差异以及对电场分布进行有效调控，从而实现介电常数和击穿强度的大幅提升。CN101792588B中公布了一种聚芳醚酮/碳纳米管复合材料的制备方法，包括功能化的聚芳醚酮(磺化聚芳醚酮、氨基化聚芳醚酮及氰基化聚芳醚酮)和表面修饰的碳纳米管。改性的碳纳米管在基体中均匀分散且与功能化聚芳醚酮基体粘结性增强，使共混的复合材料介电常数大大提升。现有技术提升聚合物基复合材料的介电常数仍然存在以下问题：低含量的陶瓷填料对介电常数的提升作用有限，高含量的陶瓷填料在提升介电常数的同时，会产生更多的针孔等缺陷，不仅会降低击穿强度还会牺牲复合材料的柔韧性；导电填料在较低含量时复合膜即可获得高介电常数，但易达到渗滤阈值，使分散性变差而发生局部团聚形成导电通路，复合材料的介电损耗急剧升高，难以同时满足质轻、柔韧性好、介电常数高和易加工的综合要求。因此，提供一种耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，质轻，柔韧性好、介电常数高，易加工，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于，提供一种耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，质轻、物化性质稳定、具有优异的柔韧性和高介电常数。本专利技术的目的之二在于，提供该聚合物基复合介电材料的制备方法。本专利技术的目的之三在于，提供该聚合物基复合介电材料在制备储能电容器中的应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术所述的一种耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，以热塑性聚合物为基材，所述基材中均匀分布有双核壳结构的无机填料。本专利技术的技术方案中，所述双核壳结构的无机填料为无机颗粒经第一交联剂表面修饰后，再经第二交联剂交联而成；各无机颗粒之间通过第一交联剂与第二交联剂形成的交联物相互连接；所述无机颗粒的粒径为纳米级、或/和微米级；每一种所述双核壳结构的无机填料中的无机颗粒不相同。纳米级的无机颗粒经第一交联剂表面修饰后，形成以无机颗粒为核、第一交联剂为壳的单核壳结构。单核壳结构的无机填料再经第二交联剂修饰，第二交联剂与无机填料表面的第一交联剂作用，生成的交联物附着于第一交联剂表面，形成第二层壳。所述第二层壳能将整个单核壳结构的无机颗粒包裹，形成从内至外依次为无机颗粒、第一交联剂、第一交联剂与第二交联剂的交联物的双核壳结构；或者所述第二层壳将单核壳结构的无机颗粒的表面部分包裹，形成从内至外依次为无机颗粒、第一交联剂、部分第一交联剂表面附着有第一交联剂与第二交联剂的交联物的双核壳结构。各无机颗粒之间通过第一交联剂与第二交联剂形成的交联物相互连接。至少两种单核壳结构的无机填料同时经第二交联剂修饰，各无机填料之间再经第二交联剂连接，使得复合材料内部构成更多的“填料-弹性体/绝缘体-填料”的纳米微电容，增强了复合材料的介电常数。作为优选，本专利技术的部分实施方案中，所述基材包括聚芳醚腈、聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛中的任意一种或几种；所述无机颗粒包括二硫化钼颗粒、钛酸钡颗粒；所述第一交联剂为可以发生自聚的单体，优选为多巴胺、苯胺；所述第二交联剂为聚醚酰亚胺。本专利技术的部分实施方案中，所述聚合物基复合介电材料中，双核壳结构的无机填料含量为3-15wt％；每一种所述单核壳结构的无机填料中，无机颗粒与第一交联剂的质量比为1～5：1；优选为1～4：1，更优选为3：1；两种所述单核壳结构的无机填料之间的质量比为1：0.5～3，优选为1：0.5～1.5，更优选为1：1；两种所述单核壳结构的无机填料的质量总和与第二交联剂的质量比为1：1～5，优选为1：2～4，更优选为1：3。本专利技术的部分实施方案中，所述聚合物基复合介电材料的厚度为60-80μm。本专利技术提供的上述聚合物基复合介电材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1.制备单核壳结构的无机填料：取无机颗粒，经氧化反应后，再与第一交联剂反应，使第一交联剂在氧化后的无机颗粒表面聚合，得到单核壳结构的无机填料；步骤2.制备双核壳结构的无机填料：取至少两种经步骤1制得的单核壳结构的无机填料、以及第二交联剂，加水混合，于搅拌条件下交联反应，所得产物洗涤后，干燥，即得双核壳结构的无机填料；步骤3.分散：将双核壳结构的无机填料混合液缓慢滴入基材溶液中，分散，得到分散后的混合液；步骤4.成膜：将所述分散后的混合液自然流延成膜，而后热处理，脱落，干燥，制得所述聚合物基复合介电材料。本专利技术的部分实施方案中，所述步骤1中，所述氧化反应为无机颗粒与过氧化氢溶液反应，反应完全后，将反应产物清洗、干燥后，得到氧化后的无机颗粒；再将所述氧化后的无机颗粒与第一交联剂在缓冲溶液中进行交联反应，交联反应完全后，将所交联产物清洗、干燥，即得单核壳结构的无机填料；优选地，所述缓冲溶液的pH值为8.5；优选地，所述步骤1中的交联反应为加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，其特征在于，以热塑性聚合物为基材，所述基材中均匀分布有至少两种双核壳结构的无机填料。/n

【技术特征摘要】
1.一种耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，其特征在于，以热塑性聚合物为基材，所述基材中均匀分布有至少两种双核壳结构的无机填料。


2.根据权利要求1所述的耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，其特征在于，所述双核壳结构的无机填料为无机颗粒经第一交联剂表面修饰后，再经第二交联剂交联而成；各无机颗粒之间通过第一交联剂与第二交联剂形成的交联物相互连接；
所述无机颗粒的粒径为纳米级、或/和微米级；
每一种所述双核壳结构的无机填料中的无机颗粒不相同。


3.根据权利要求1或2所述的耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，其特征在于，所述基材包括聚芳醚腈、聚醚醚酮、聚芳醚砜、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛中的任意一种或几种；
所述无机颗粒包括二硫化钼颗粒、钛酸钡颗粒；
所述第一交联剂为可以发生自聚的单体，优选为多巴胺、苯胺；
所述第二交联剂为聚醚酰亚胺。


4.根据权利要求1或2所述的耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，其特征在于，所述聚合物基复合介电材料中，双核壳结构的无机填料含量为3-15wt％；
每一种所述单核壳结构的无机填料中，无机颗粒与第一交联剂的质量比为1～5：1；优选为1～4：1，更优选为3：1；
两种所述单核壳结构的无机填料之间的质量比为1：0.5～3，优选为1：0.5～1.5，更优选为1：1；
两种所述单核壳结构的无机填料的质量总和与第二交联剂的质量比为1：1～5，优选为1：2～4，更优选为1：3。


5.根据权利要求1所述的耐高温和高介电聚合物基复合介电材料，其特征在于，所述聚合物基复合介电材料的厚度为60-80μm。


6.如权利要求1～5任意一项所述的聚合物基复合介电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.制备单核壳结构的无机填料：取无机颗粒，经氧化反应后，再与第一交联剂反应，使第一交联剂在氧化后的无机颗粒表面聚合，得到单核壳结构的无机填料...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯萌娜，陈明，贺盟，马得煜，罗驹华，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32