CN103342027B - 一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法。该方法是将聚合物基导电复合体系与聚合物介电体系经熔融共挤出制备得到导电层和介电层交替排布的聚合物基多层介电复合材料。该材料具有各向异性的电性能，在平行层方向表现为高导电性，在垂直层方向表现为高介电性。其介电性能可通过界面数、介电层厚度进行设计和调控。本发明所涉及的设备简单，模具加工容易，易于组装，制造成本低，清理和维护都十分方便，且加工过程能耗低、效率高、易于操作，可连续、大规模生产。制得的多层介电复合材料可以是片状、膜状或纤维状。
Description
技术领域
本发明属于聚合物基功能复合材料制备工艺领域，具体涉及一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法。
背景技术
以导电粒子填充的聚合物基介电复合材料(Polymer/conductingfillerdielectriccomposite,PCD)通过添加少量填料便可获得很高的介电常数，同时还能保持较好的机械性能以及加工性能。不过，当粒子添加量接近体系的导电逾渗值时，介电常数将迅速提高，介电性能对填料含量、测试条件等均异常敏感，从而造成加工和使用过程中性能不稳定的问题。因此，如何在获得高介电常数的同时，保持性能稳定一直是PCD材料研究领域的重点和难点问题。
大量研究表明，解决这一问题的关键在于既要利用导电粒子在基体中的分散促进聚合物分子极化，又要避免其相互搭接在电场方向形成导电通路引起电导损耗。例如通过表面改性技术或调控填料的取向形态形成类似电容器的结构，达到了提高分子极化减少粒子搭接的目的[中国发明专利ZL03104776.9]。这些方法对导电粒子的分散仍不易控制，难以避免因粒子含量变化对介电性能的影响，导致性能的不稳定。相比于对导电粒子分散的调节，直接用高介电材料对其进行包覆，彻底阻止相邻粒子搭接形成导电通路，对介电性能的改善显得更为有效[中国发明专利CN101007892A]。但该方法工艺较为复杂，包覆层厚度不易控制，但却为PCD材料的设计和制备提供了一个新的思路：一方面利用导电粒子在聚合物中的分散形成众多微小电容器促进聚合物分子的极化，另一方面通过构筑导电粒子在基体中的分布空间，切断其在电场方向形成导电通路的可能，从而实现介电性提高和稳定的双重目的。
发明内容
本发明的目的是针对导电粒子填充的聚合物基介电复合材料的制备现状，而提供一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，以解决现有PCD材料介电性能不稳定、难调控等问题。
本发明的技术方案是：将聚合物基导电复合体系与聚合物介电体系经熔融共挤出制备得到导电层和介电层交替排布的聚合物基多层介电复合材料。
在上述技术方案中，所述的聚合物基导电复合体系为导电粒子填充的聚合物复合体系，导电粒子的体积分数为0.01-40％。
在上述技术方案中，所述的聚合物基导电复合体系的聚合物基体为选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯共聚物中的一种，导电填料为金属、炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或多种。
在上述技术方案中，所述的聚合物介电体系为一种纯聚合物介电体系，或为二种聚合物的共混体系、或为介电粒子填充的聚合物基复合体系。
在上述技术方案中，所述的聚合物介电体系的聚合物基体为选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯共聚物中的一种或二种。
在上述技术方案中，所述的导电层和介电层交替排布的多层介电复合材料可以利用多台挤出机共挤出，也可以在共挤出口模处安装若干层倍增器，使材料的层数可在2-4000层之间调控，介电层单层厚度最低可至50纳米，材料总层厚不随层数变化而改变。
在上述技术方案中，所述的导电层和介电层交替排布的多层介电复合材料的介电性能可通过界面数和介电层厚厚度进行设计和调控，使介电常数在10-100000之间可调。
在上述技术方案中，制得的多层介电复合材料可以是片状、膜状或纤维状。
本发明具有如下优点：1、本发明所涉及的设备简单，模具加工容易，易于组装，制造成本低，清理和维护都十分方便，且加工过程能耗低、效率高、易于操作，可连续、大规模生产。
2、通过本发明制备的聚合物基多层介电复合材料具有各向异性的电性能，在平行层方向为高导电性，在垂直层方向为高介电性。
3、通过本发明制备的聚合物基多层介电复合材料的导电层和介电层交替排布，因而与传统PCD材料相比，其介电性能易于调控。
本发明还具有其他方面的一些优点。
附图说明
图1为本发明所涉及的共挤出装置结构示意图。在图中，A,B:挤出机,C:连接器，D:汇合器，E:层倍增器，F:出口模。
图2为本发明制备的导电层和介电层交替排布的聚合物基多层介电复合材料的结构示意图。在图中，hd:介电层的单层厚度，he:导电层的单层厚度。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。在以下各实施例中，各组分的用量均为重量用量。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明产生的积极效果可用实施例来进行说明。
实施例1
将添加了15wt％炭黑的聚偏氟乙烯与纯聚偏氟乙烯在200℃进行共挤出，制备得到了2，64和256层交替层状复合材料(导电层与介电层的层厚比为1:1)。电性能测试结果显示，三种材料在平行层方向的电阻率约为103Ohm.cm，而在垂直层方向的介电常数(104Hz)则随着层数的增加显著提高，分别为15，31和55，介电损耗则仅从0.15增加到0.23。
实施例2
将添加了12wt％炭黑和碳纳米管复配导电粒子的聚乙烯与纯聚丙烯在200℃进行共挤出，制备得到了2，128，512和2048层交替层状复合材料(导电层与介电层的层厚比为1:1)。电性能测试结果显示，四种材料在平行层方向的电阻率约为300Ohm.cm，而在垂直层方向的介电常数(104Hz)则随着层数的增加显著提高，分别为12，87，230和460，介电损耗则仅从0.17增加到0.55。
实施例3
将添加了15wt％炭黑的聚偏氟乙烯与添加了20wt％钛酸钡的聚偏氟乙烯在200℃进行共挤出，制备得到了2，64和256层交替层状复合材料(导电层与介电层的层厚比为1:1)。电性能测试结果显示，四种材料在平行层方向的电阻率约为103Ohm.cm，而在垂直层方向的介电常数(104Hz)则随着层数的增加显著提高，分别为16，43和67，介电损耗则仅从0.15增加到0.29。
实施例4
将添加了15wt％炭黑的聚偏氟乙烯与纯聚偏氟乙烯在200℃进行共挤出，制备得到了64层交替层状复合材料。测试结果显示，随着导电层/介电层层厚比的增加(在总层厚和总层数不变的情况下，导电层单层厚度(he)增加，介电层单层厚度(hd)就会降低)，材料的介电常数(104Hz)逐渐提高。当he/hd＝1/3时为19，当he/hd＝1/1时为31，当he/hd＝,3/1时为87。
实施例5
将添加了18wt％炭黑的聚丙烯与纯聚丙烯在200℃进行共挤出，制备得到了128层交替层状复合材料(导电层与介电层的层厚比为1:1)。电性能测试结果显示，材料在平行层方向的电阻率约为103Ohm.cm，而在垂直层方向的介电常数则随着频率的增加逐渐降低，102Hz时为96,103Hz时为76，104Hz时为42。
Claims (6)
1.一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，其特征在于：（1）将聚合物基导电复合体系与聚合物基介电体系经熔融共挤出制备得到导电层和介电层交替排布的聚合物基多层介电复合材料；（2）随着层数增加，材料总厚度不变，各单层厚度逐渐降低，界面数增多，导电层中的导电粒子将大量分布在层界面附近，并与相邻导电层中的导电粒子以及夹在二个导电层之间的介电层形成众多微电容结构，同时，垂直于层界面方向的介电性能可通过界面数和介电层单层厚度的调控进行设计。
2.按照权利要求1所述的一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，其特征在于聚合物基导电复合体系为导电粒子填充的聚合物复合体系，导电粒子的体积分数为0.01-40%。
3.按照权利要求1所述的一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，其特征在于聚合物基导电复合体系中的聚合物基体为选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯共聚物中的一种，聚合物基导电复合体系中的导电粒子为金属、炭黑、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或多种。
4.按照权利要求1所述的一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，其特征在于聚合物基介电体系为由一种聚合物形成的介电体系、或为二种聚合物的共混体系、或为介电粒子填充的聚合物基复合体系，聚合物基介电体系中的聚合物基体为选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯共聚物中的一种或二种。
5.按照权利要求1所述的一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，其特征在于导电层和介电层交替排布的多层介电复合材料在沿平行于层界面的方向具有高导电性，而沿垂直于层界面的方向具有高介电性，且介电性能可以通过层数对介电层单层厚度的调控进行设计，使材料的介电常数在10-100000之间可调。
6.按照权利要求1所述的一种可设计的聚合物基多层介电复合材料的制备方法，其特征在于制得的多层介电复合材料是片状、膜状或纤维状。
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