[發(fā)明專利]一種石墨烯-無序碳夾層結(jié)構(gòu)的聚合物基介電復(fù)合材料

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010908754.2
• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN111978575A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛慶忠;于世凡;李坤;王萍;薛金偉;夏富軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)（華東）
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08L27/16;C08K13/06;C08K9/02;C08K9/04;C08K7/00;C08K3/04
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本發(fā)明提供了一種夾層石墨烯?無序碳二維納米填料的制備方法，并與聚偏氟乙烯基復(fù)合，制備了高介電常數(shù)的復(fù)合介電材料，屬于介電電容器技術(shù)領(lǐng)域。首先以葡萄糖為碳源，在水熱條件下在多層石墨烯外層包覆無序相碳薄層，然后對石墨烯?無序碳進(jìn)行表面酸化處理以引入羧基基團(tuán)，再以其為填充介質(zhì)，與聚偏氟乙烯粉末充分混合，在高壓和氮?dú)鉄峁袒幚硐拢玫搅烁邚?qiáng)度的聚偏氟乙烯基復(fù)合介電體。此聚合物復(fù)合介電體原料來源廣，無污染，且制備方法簡單，介電儲能性能優(yōu)異，具有很好的應(yīng)用價值和前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于介電電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯-無序碳三明治式夾層結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯基復(fù)合介電薄片的制備方法。

背景技術(shù)

自導(dǎo)電聚合物被發(fā)現(xiàn)以來，聚合物材料在電工電子行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，例如環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺(PI)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)等。純聚合物的介電性質(zhì)來源于聚合單體的極性基團(tuán)，從而純聚合物介電常數(shù)僅有2-8，難以滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的電容儲能要求。目前主要通過在聚合物基體中引入微、納級的填料提升整體介電儲能性能，一般可引入高介電常數(shù)的陶瓷相或者高電導(dǎo)率的金屬相。然而引入陶瓷相面臨著填充量大(30vol％-50vol％)的問題，大大降低材料的機(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械韌性，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

近幾年，石墨烯、碳納米管等納米碳材料由于良好的電導(dǎo)特性，在電介質(zhì)材料的研究嶄露頭角，以其為填充質(zhì)的導(dǎo)電聚合物基復(fù)合材料越來越受到關(guān)注。同時，以聚偏氟乙烯為基體的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合介電材料，因其柔韌性和抗拉強(qiáng)度優(yōu)異、絕緣電阻和抗擊穿強(qiáng)度高、頻率和溫度特性好，滿足了微電子行業(yè)對于柔性介電材料的需求，備受科研人員和工程人員的青睞。然而，石墨烯因其較大的表面能極易在聚合物基體中發(fā)生團(tuán)聚，嚴(yán)重影響了石墨烯/聚偏氟乙烯復(fù)合材料的介電性能。此外，石墨烯與聚偏氟乙烯的相容性差，隨著石墨烯摻雜量的增加，團(tuán)聚在聚合物基體中的石墨烯會構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而明顯增加復(fù)合材料的介電損耗。因此，如何避免石墨烯的團(tuán)聚及其與基體的相容性問題，是提高石墨烯/聚偏氟乙烯復(fù)合材料的介電性能的關(guān)鍵問題。

為提升石墨烯的分散性能，我們以葡萄糖為碳源，采用水熱方法在導(dǎo)電性良好的石墨烯表面構(gòu)建無序相碳層，一方面阻斷石墨烯層間的較高范德華力，減少石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象；另一方面形成的絕緣層有效抑制電介質(zhì)體相的泄露電流，降低介電損耗。同時對核殼結(jié)構(gòu)的碳材料羧基官能團(tuán)化，提升在聚合物體相中的相容性，形成更均勻分散相，穩(wěn)定介電性能。該復(fù)合材料原料親和無污染，制備方法簡單，穩(wěn)定性高，可大規(guī)模制備，對高介電儲能器件的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種夾層石墨烯-無序碳二維納米填料的制備方法，并與聚偏氟乙烯基復(fù)合，經(jīng)過高壓處理制備成可用于高介電常數(shù)靜電電容器的介電薄膜。

制備夾層石墨烯-非晶碳納米填料及石墨烯-羧基化無序碳納米填料的詳細(xì)過程如下：

(1)稱取一定量的多層石墨烯納米片，分散在去離子水中，添加少量表面活性劑曲拉通×100，超聲分散3小時，得到均勻的石墨烯分散液。

(2)向步驟(1)得到的分散液中添加一定量葡萄糖粉末，繼續(xù)超聲分散0.5小時，使多層石墨烯納米片與葡萄糖進(jìn)一步混合均勻。

(3)將步驟(2)得到的混合溶液倒入以聚四氟乙烯為襯底的不銹鋼反應(yīng)釜中，確認(rèn)完全密封后，在均相反應(yīng)器中以180℃的高溫環(huán)境下充分反應(yīng)，反應(yīng)釜保持5r/min的均勻轉(zhuǎn)速。反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(4)將反應(yīng)產(chǎn)物在高速離心機(jī)中離心清洗，單次離心時間為10分鐘，離心過程中分別用去離子水和乙醇各洗約三次。離心清洗結(jié)束后，取出離心后的沉淀物，放置在干燥箱中以60℃烘干。

(5)將(4)所得粉末，在氮?dú)夥諊拢M(jìn)行固化處理。升溫時間為1h，維持溫度設(shè)為300℃，持續(xù)2小時，最終得到石墨烯-無序碳夾層結(jié)構(gòu)(記為GNS@AC)。