[發明專利]一種利用酰氯類小分子優化鉭鈮酸鉀/聚偏氟乙烯薄膜介電性能的方法

在審

• 申請號: 202210285167.1
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114702771A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 林家齊;左宇航;劉欣美;楊文龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: C08L27/16
• 分類號: C08L27/16;C08K3/24;C08K9/04;C08J5/18
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• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種利用酰氯類小分子優化鉭鈮酸鉀/聚偏氟乙烯復合薄膜介電性能的方法。首先，借助界面親和反應利用不同官能團的酰氯類小分子對鉭鈮酸鉀(KTN)表面進行改性。隨后，將改性后的KTN粒子加入聚偏氟乙烯(PVDF)中，制備出相應的復合薄膜。由于修飾后KTN粒子與聚合物基體的相容性加強，所得的復合薄膜介電損耗和擊穿場強得到明顯的改善。本發明所制備的2?丙烯?1?磺酰氯改性的復合薄膜(KTN?SC/PVDF)、芐磺酰氯改性的復合薄膜(KTN?ATC/PVDF)、甲基丙烯酰氯改性的復合薄膜(KTN?MAC)的介電損耗都低于與未改性KTN/PVDF薄膜。三種改性劑改性的復合薄膜在擊穿場強方面均顯示出明顯的提升，其中摻雜體積分數為百分之3的KTN?SC/PVDF薄膜的擊穿場強提升最高，相比相同濃度未改性的KTN/PVDF薄膜提高了2.87倍。

技術領域

本發明涉及納米復合薄膜制備技術領域，一種利用酰氯類小分子優化鉭鈮酸鉀/聚偏氟乙烯復合薄膜介電性能的方法。

背景技術

近年來，陶瓷/聚合物復合材料由于其優越的電學性能，被廣泛應用于電容器、柵基絕緣層、印刷電路板、和微波基板的制作。與傳統的陶瓷介電材料相比，無機納米顆粒/聚合物納米復合電介質是目前最有前景的介電聚合物之一。該材料由于能夠將陶瓷介電填料的高介電常數和具有高電擊穿場強的聚合物基體材料相結合，從而使復合薄膜具有較高的擊穿場強和介電性能。在納米復合材料中，聚合物和納米填料之間的界面對整體的性能起著主導作用，因為如果能夠保證均勻分散，超細納米顆粒可以與聚合物基體良好相容。然而，由于單個納米粒子具有較高的界面能，納米粒子間容易產生聚集現象，形成缺陷中心。缺陷中心會導致局部電場的增強以及擊穿場強的降低。因此，改善無機納米填料的分散性對提高納米復合材料的綜合性能具有重要意義。目前，改善納米填料的較為有效的手段為通過羥基化、偶聯劑、磷酸和多巴胺等有機分子對納米粒子進行表面改性。

相比于常見的小分子改性劑，酰氯類小分子具有較多的種類。不同酰氯類小分子之間各異的官能團對探究官能團種類對納米粒子的極性與聚合物基體相容性的影響有重要意義。此外，酰氯類小分子所帶來的缺電子官能團可以為整體的復合薄膜引入了更多的深陷阱，使薄膜整體的擊穿場強上升。然而，目前針對使用酰氯類小分子改性復合薄膜的報告較少。這主要是酰氯類小分子無法對未處理的納米粒子進行直接改性。

本發明先通過水熱法制備的鉭鈮酸鉀(KTN)納米粒子，所得KTN富有大量的羥基，利用KTN納米粒子界面的羥基和酰氯類小分子的親核反應脫去一個HCl分子，使得KTN納米粒子界面接上酰氯類小分子攜帶的官能團，實現改性的目的。由于修飾后KTN粒子與聚合物基體的相容性加強，所得的復合薄膜介電損耗和擊穿場強得到明顯改善。其中，選擇甲基丙烯酰氯(MAC)改性的KTN-MAC/PVDF復合薄膜的損耗角正切值低于0.025(在10³赫茲時)，摻雜體積分數為百分之五的KTN-MAC/PVDF的損耗角正切值僅為相同摻雜濃度未改性的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復合薄膜的擊穿場強相比未改性的KTN/PVDF薄膜提高了百分之二十，最高可達到381.31千伏/毫米。

發明內容

本發明提供一種利用酰氯類小分子優化鉭鈮酸鉀/聚偏氟乙烯復合薄膜介電性能的方法。以聚偏氟乙烯(PVDF)為聚合物基體，鉭鈮酸鉀(KTN)為納米填料，利用含有不同官能團的酰氯類小分子作為改性劑對KTN進行表面改性，制備出相應的KTNPVDF復合薄膜。

具體操作包括：

1)水熱法合成納米尺寸的鉭鈮酸鉀(KTN)粉末，作為納米填料；

2)對KTN表面進行改性，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緩慢滴入一定量的酰氯類小分子作為改性劑；

3)加入0.15克無水碳酸鉀以除去親核反應生成的氯化氫，室溫反應12-24小時；