一种制备聚合物基高介电纳米复合材料的方法技术

本发明专利技术提供一种制备高介电常数聚合物基纳米复合材料的方法，是通过将聚合物基体溶液进行静电纺丝，同时将填料粒子悬浮液进行静电喷雾，采用共同的接收装置同时接收静电纺丝和静电喷雾的产物，得到复合纤维膜，该复合纤维膜最后经热压加工工艺制备得到填料粒子均匀分散的聚合物基高介电纳米复合材料。本发明专利技术制备的复合材料具有高介电常数，低介电损耗等特点，同时复合材料的介电常数可以通过填料粒子在聚合物基体中的含量进行控制。本发明专利技术工艺简单，操作方便，环境污染少，能很好地解决填料粒子在聚合物基体中的均匀分散问题，有望用于微电子行业制备嵌入式电容器的介电材料等。

【技术实现步骤摘要】
一种制备聚合物基高介电纳米复合材料的方法
本专利技术属于聚合物基纳米复合材料及其加工
，具体涉及具有高介电性能的纳米复合材料制备方法。
技术介绍
随着电子工业的快速发展，电子装置的组件面临着高度集成化的需求，即制备轻薄短小以及多功能的电子器件势在必行。无源元件（包括电容、电阻、电感等）是电子电路中至关重要的组件，其中电容器可广泛应用于滤波、整流、定时、交直流转换、去耦以及储能等，所以电容元件在微电子电路中扮演着不可或缺的角色。根据C=εS/d（C为电容器的电容、ε为介电常数、S为电容器介电材料的面积、d为介电材料的厚度），在有限的空间内，要增加电容器的电容量，一方面是减小电容器的厚度，另外一方面就是制备具有高介电常数的介电材料。此外，由于高度集成化和小型化的发展，在印刷电路板狭小的空间内，电子组件还面临着不易散热和由此导致的电子器件性能不稳定、使用寿命降低等问题。因此制备电子器件的材料还应具有良好的热稳定性。传统的介电材料主要是铁电体的陶瓷材料，但由于它们存在密度大，脆性大，不易加工等缺点，很难制成符合要求的元件。近年来，聚合物基高介电复合材料由于其综合了陶瓷填料的高介电性能和聚合物的柔韧性与易加工的特点受到广泛的关注。目前，国内外普遍采用机械混合法（主要有球磨机混合，熔融混合和溶液混合等）制备无机粒子填料（包括陶瓷粒子和导电粒子）的聚合物基介电复合材料。例如，党智敏等采用直接溶液混合的方法，将BaTiO3粒子（粒径为0.1μm和0.7μm两种）分别加入到环氧树脂溶液中搅拌混合，再蒸去溶剂，最后经热压成型得到复合材料，在体积分数为70%时，两种粒径填料的介电常数分别为55和46左右（Zhi-MinDang,Yan-FeiYu,Hai-PingXu,JinboBai.StudyonmicrostructureanddielectricpropertyoftheBaTiO3/epoxyresincomposites.CompositesScienceandTechnology.68(2008)171-177）。但这些直接机械混合的方法存在的问题是填料粒子的均匀分散。直接混和总是不能完全的均匀分散，会或多或少的存在填料粒子的团聚现象，这样就会使复合材料存在介电性能不稳定或局部易击穿等缺陷。为了解决加工过程中的均匀分散问题，有人采用加入分散剂或偶联剂进行改善，例如Seung-HoonChoi等采用APTS和INAAT两种偶联剂进行改善（Seung-HoonChoi,II-DooKim,Jae-MinHong,Ki-HongPark,Seong-GeunOh.EffectofthedispersibilityofBaTiO3nanoparticlesinBaTiO3/polyimidecompositesonthedielectricproperties.MaterialsLetters.2007;61(11-12):1478-2481），但是第三组分的加入会对材料的综合性能有一定的影响。综上所述，采用直接的机械混合的方法，存在能耗大，工艺复杂，以及填料粒子不能非常好地分散均匀等缺点，因此发展一种操作简便且能均匀分散填料的方法对微电子行业的发展有很大的帮助。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决聚合物基复合材料制备过程中填料粒子的均匀分散问题，提供一种操作简便、能耗较小的制备具有高介电常数的超薄的聚合物基复合材料的方法。本专利技术所提供的制备高介电常数聚合物基纳米复合材料的方法，是通过将聚合物基体溶液进行静电纺丝，同时将填料粒子悬浮液进行静电喷雾，采用共同的接收装置同时接收静电纺丝和静电喷雾的产物，得到复合纤维膜，该复合纤维膜最后经热压加工工艺制备得到填料粒子均匀分散的聚合物基高介电纳米复合材料。本专利技术所述的制备方法，具体包括以下步骤：1）制备聚合物基体溶液，调节溶液的固含量与粘度，使溶液适合用于静电纺丝；2）将填料粒子加入到易挥发溶剂中，超声搅拌使其形成稳定的悬浮液，适合于静电喷雾；3）将步骤1）制备的聚合物溶液进行静电纺丝，同时将步骤2）制备的粒子悬浮液进行静电喷雾，采用接收装置同时接收静电纺丝和静电喷雾的产物，得到粒子均匀分散的纳米纤维膜；4）将步骤3）得到的纳米纤维膜经热压加工成型，得到板状的纳米复合材料。本专利技术所述的制备方法具体的过程示意图如图1所示。步骤1）所述的聚合物优选聚酰亚胺（PI），聚偏氟乙烯（PVDF），聚丙烯（PP），环氧树脂（Epoxyresin），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS），聚芳醚酮（PEEK）等具有高热稳定性和优异机械性能的聚合物，或其相应前驱体（如聚酰胺酸PAA）等。步骤1）所述的聚合物基体溶液，可以通过常规的溶解方法制备（例如，将PVDF溶解于具有良好溶解性的溶剂中，例如DMF，DMAc，DMSO，丙酮等，得到PVDF溶液）；也可以通过常规的聚合反应获得（例如以能合成聚酰亚胺的单体通过聚合反应得到PAA溶液）。步骤2）所述的填料粒子可以是高介电的铁电体陶瓷粉末、导电金属纳米颗粒或者碳基纳米材料的一种或多种的混合物，粒子的粒径可在30-300nm，并且能形成稳定的悬浮液。步骤2）所述的易挥发溶剂优选无水乙醇、丙酮或四氢呋喃。所述的高介电的铁电体陶瓷粉末可以是钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PZT）或钛酸铜钙（CaCuTi4O12）中的任意一种或两种以上的混合物。所述的导电金属纳米颗粒可以是纳米铜粉（Cu）、纳米银粉（Ag）、纳米镍粉（Ni）或纳米铁粉（Fe）中的任意一种或两种以上的混合物。所述的碳基纳米材料可以是炭黑（CB）、石墨粉（graphitepoeder）、单壁碳纳米管（SWNT）、多壁碳纳米管（MWNT）、碳纳米纤维短纤（CNFs）、富勒烯（Fullerene）或石墨烯（Graphene）在的任意一种或两种以上的混合物。步骤3）中，结合静电纺丝和静电喷雾过程中根据调节针尖的比例和溶液的推速，调节填料粒子与聚合物基体的体积比为0:100至50:50。步骤3）中静电纺丝的电压根据不同的聚合物采用不同电压，具体在15-40kV范围内，纤维直径在50-1000nm范围；静电喷雾电压根据不同的粒子在10-35kV范围内；针尖到接收装置的距离视不同情况在10-50cm范围内。步骤4）所述的热压加工条件优选为：加工温度为100-300℃，压力大小为2-30MPa，热压加工可以在抽真空条件或不抽真空条件下进行。得到的板材厚度可以从10μm至数毫米或以上。本专利技术所述的方法中，步骤3）得到的纳米纤维复合膜，根据具体需要，还可以经进一步相关处理，例如进行烘烤或真空烘干，彻底去除一些残留的溶剂；同时根据需求还可以进行其他相关的处理，例如，当步骤1）中的聚合物基体是采用聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸时，步骤3）得到的纳米纤维膜需要进行相关的热亚胺化处理后再进行热压加工。与现有技术的各种制备方法相比，本专利技术的方法制备的纳米复合材料，由于显著提高了填料粒子的均匀分散性，大大减少了填料粒子的团聚现象，使得复合材料具有高介电常数且介电常数可控，低介电损耗（小于0.09），以及优异的热稳定性和机械性能等。可广泛应用于卷绕式电容器，嵌入式电容器等微电子领域。附图说明图1为结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高介电常数聚合物基纳米复合材料的方法，是通过将聚合物基体溶液进行静电纺丝，同时将填料粒子悬浮液进行静电喷雾，采用共同的接收装置同时接收静电纺丝和静电喷雾的产物，得到复合纳米纤维膜，该复合纳米纤维膜最后经热压加工工艺制备得到填料粒子均匀分散的聚合物基高介电纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备高介电常数聚合物基纳米复合材料的方法，具体包括以下步骤：1)制备聚合物基体溶液，调节溶液的固含量与粘度，使溶液适合用于静电纺丝；所述的聚合物选自聚酰亚胺或聚偏氟乙烯，所述的聚合物基体是采用聚酰亚胺前驱体聚酰胺酸；2)将填料粒子加入到易挥发溶剂中，超声搅拌使其形成稳定的悬浮液，适合于静电喷雾；3)将步骤1)制备的聚合物溶液进行静电纺丝，同时将步骤2)制备的粒子悬浮液进行静电喷雾，采用接收装置同时接收静电纺丝和静电喷雾的产物，得到粒子均匀分散的复合纳米纤维膜；4)将步骤3)得到的复合纳米纤维膜进行热亚胺化处理后再经热压加工成型，加工温度为300℃，压力大小为5-8MPa，得到板状的纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述的填料粒子选自高介电的铁电体陶瓷粉末、导电金属纳米颗粒或者碳基纳米材料的一种或多种的混合物，粒子的粒径在30-300nm，并且能形成稳定的悬浮液...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯豪情，丁义纯，谢成宸，陈林林，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：