一種石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜及其制備方法，其由氧化石墨烯、N?甲基吡咯烷酮和聚芳醚腈經(jīng)反應(yīng)制成，反應(yīng)包括以下步驟：將氧化石墨烯溶于N?甲基吡咯烷酮中，超聲分散，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；向氧化石墨烯溶液中加入聚芳醚腈，超聲攪拌，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；將氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液傾倒在玻璃板上，經(jīng)程序升溫加熱，得到干燥流延膜，再將干燥的流延膜熱還原，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。本發(fā)明的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜質(zhì)量輕且界面相容性好；各項性能優(yōu)異，可作為高介電、儲能材料應(yīng)用于電工電子、超級電容器、電池等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于有機高分子介電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜及其制備方法，該石墨稀/聚芳醚腈復(fù)合薄膜可作為高介電、儲能材料應(yīng)用于電工電子、超級電容器、電池等領(lǐng)域中。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空、航天、電氣、電子等領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的陶瓷等介電材料因其質(zhì)量重，加工條件嚴苛、界面相容性差等因素受到越來越多的限制。因此開發(fā)出質(zhì)輕的介電材料及制備方法意義重大且迫在眉睫。而高性能聚合物基高介電復(fù)合材料(含薄膜)憑借其強度高、質(zhì)量輕、加工簡便等優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注，成為一種具有遠大前景的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料密度低，可滿足電子、電氣材料質(zhì)輕、穩(wěn)定的要求。氧化石墨稀是一種性能優(yōu)異的新型碳材料，是由碳原子以SP2雜化結(jié)合成的單原子碳層，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，表面及邊緣分布著大量的羧基、羥基和環(huán)氧基等基團，使其可如同界面活性劑一般存在界面中，可以降低界面間的能量，因此能與聚合物具有良好的相容性。而聚合物基氧化石墨烯復(fù)合材料通過原位熱還原后具有奇特的電學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的熱學(xué)性質(zhì)，在新材料、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]聚芳醚腈最初的合成由于反應(yīng)過程的復(fù)雜性，一直局限于實驗室制備，上世紀80年代日本出光興產(chǎn)株式會社首次成功開發(fā)了一種性能優(yōu)異的聚芳醚腈樹脂，該類高分子材料突出的耐熱性、加工性及機械強度引起了人們的研究興趣，但在商品報道后該產(chǎn)品的研究即銷聲匿跡。20世紀80年代，江西師范大學(xué)申請了以研究聚芳醚腈聚合物為主要任務(wù)的國家自然科學(xué)基金，標志著國內(nèi)對于聚芳醚腈合成與性能的研究開始起步；1997年，四川聯(lián)合大學(xué)的張軍華、唐安斌等人、江西師范大學(xué)的廖維林等人分別報道了多種結(jié)構(gòu)的聚芳醚腈的合成；1998年，關(guān)于聚芳醚腈的研究主要集中在通過分子設(shè)計制備具有特殊性能的聚芳醚腈樹脂，極大豐富了聚芳醚腈系列樹脂的品種。2005年后，電子科技大學(xué)專攻聚芳醚腈的合成以與改性研究，使得聚芳醚腈聚合物逐步產(chǎn)業(yè)化，通過分子工程、合成、加工技術(shù)及復(fù)合材料制備技術(shù)的探索研究，已形成一大類具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的特種高分子材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的介電材料質(zhì)量重，難以加工成型等問題，提供一種質(zhì)量輕、介電性能可控調(diào)節(jié)的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜及其高效的制備方法，從而實現(xiàn)了介電材料的輕量化及批量化制備，拓寬介電材料的應(yīng)用范圍。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜，所述的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜由氧化石墨烯、N-甲基吡咯烷酮和聚芳醚腈經(jīng)反應(yīng)制成，其中，N-甲基吡咯烷酮、氧化石墨烯和聚芳醚腈的質(zhì)量比是I:0.0005-0.003:0.025-0.05。
[0006]所述的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)是6-112，電導(dǎo)率是2X10—7-5X 10—4 S/m，拉伸強度是80-120MPa。
[0007]—種石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將氧化石墨烯溶于N-甲基吡咯烷酮中，經(jīng)超聲分散得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)向步驟I)的氧化石墨烯溶液中加入聚芳醚腈，經(jīng)超聲攪拌，得到均勻分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)采用流延成膜的方法將步驟2)中的均勻分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱，蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜；
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在200-400°C下，熱還原3-8小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0008]優(yōu)選的，步驟I)中的超聲分散的溫度是22-35°C，超聲功率是100-140W，超聲時間是1-3小時。
[0009]優(yōu)選的，步驟2)中的超聲攪拌的溫度是60-100°C，超聲功率是100-140W，超聲時間是2_6小時。
[0010]優(yōu)選的，其特征在于，步驟4)中的流延膜經(jīng)程序升溫緩慢蒸發(fā)溶劑，升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持1-2 h，第二階段100°C，保持l_2h，第三階段120°C，保持2-5 h，第四階段160°C，保持2-5h。
[0011 ]本發(fā)明的有益效果是:(I)本發(fā)明的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜質(zhì)量輕且界面相容性好；(2)性能好，在I KHz時的介電常數(shù)為6-112、電導(dǎo)率為2X10—7-5 X 10—4 S/m，拉伸強度是80-120 Mpa，可作為高介電、儲能材料應(yīng)用于電工電子、超級電容器、電池等領(lǐng)域(3)加工簡易，可進行工業(yè)化批量生產(chǎn)；(4)實現(xiàn)了介電性能的可控化調(diào)節(jié)，通過改變聚芳醚腈與氧化石墨烯的添加比例得到一系列具有不同介電性能的復(fù)合薄膜。
【附圖說明】
[0012]附圖1是石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的介電常數(shù)測試結(jié)果；
附圖2是石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的導(dǎo)電率測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0013]以下介紹本發(fā)明制備方法的實施實例，但以下實例是用于說明本發(fā)明的示例，并不構(gòu)成對本發(fā)明權(quán)利要求的任何限定。
[0014]實施例1
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將0.5mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在溫度為25°C、超聲功率為100W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為140W 下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜； 4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜，升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段10tC，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h;
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0015]制備所得的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為6.3，電導(dǎo)率為2X10—7 S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到96MPa。
[0016]實施例2
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將Img氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在溫度為30°C、超聲功率為120W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為140W下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜，升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段10tC，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h;
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0017]得到的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為12.1，電導(dǎo)率為6X10—7S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到94MPa。
[0018]實施例3
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將1.5mg氧化石墨烯溶于ImL N-甲基吡咯烷酮中，在溫度為35°C、超聲功率為140W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為120W下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜，升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段10tC，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h;
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0019]得到的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為32.3，電導(dǎo)率為5X 10—6S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到95MPa。
[0020]實施例4
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將1.7mg氧化石墨烯溶于ImL N-甲基吡咯烷酮中，在溫度為25°C、超聲功率為120W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加25mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為120W下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱，蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜;升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段100°C，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h；
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0021]得到的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為47.6，電導(dǎo)率為0.28X10—5 S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到85MPa。
[0022]實施例5
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將1.8mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在溫度為25°C、超聲功率為120W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加30mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為120W下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱，蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜;升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段100°C，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h；
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0023]得到的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為85.7，電導(dǎo)率為8X10—5S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到89MPa。
[0024]實施例6
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將2mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在溫度為25°C、超聲功率為100W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為120W下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜，升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段10tC，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h;
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0025]得到的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為91.2，電導(dǎo)率為8X10—5S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到93MPa。
[0026]實施例7
石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
1)將3.0mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在溫度為25°C、超聲功率為120W下，超聲分散2小時，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步驟(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在溫度為60°C、超聲功率為120W下，超聲攪拌5小時，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合液；
3)將氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通過流延成膜的方法傾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱，蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜;升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持lh，第二階段100°C，保持lh，第三階段120°C，保持2h，第四階段160°C，保持2h；
5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，熱還原5小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。
[0027]得到的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在IKHz時的介電常數(shù)為112.1，電導(dǎo)率為I X10—4 S/m，如圖1和圖2所示;該復(fù)合薄膜的拉伸強度平均達到91MPa。
【主權(quán)項】
1.一種石墨稀/聚芳醚腈復(fù)合薄膜，其特征在于，所述的石墨稀/聚芳醚腈復(fù)合薄膜由氧化石墨烯、N-甲基吡咯烷酮和聚芳醚腈經(jīng)反應(yīng)制成，其中，N-甲基吡咯烷酮、氧化石墨烯和聚芳醚腈的質(zhì)量比是I:0.0005-0.003:0.025-0.05。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜，其特征在于，所述的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜在I KHz時的介電常數(shù)是6-112，電導(dǎo)率是2X10—7-5X10—4 S/m，拉伸強度是80-120MPa。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將氧化石墨烯溶于N-甲基吡咯烷酮中，經(jīng)超聲分散得到均勻分散的氧化石墨烯溶液； 2)向步驟I)的氧化石墨烯溶液中加入聚芳醚腈，經(jīng)超聲攪拌，得到均勻分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液； 3)采用流延成膜的方法將步驟2)中的均勻分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液傾倒在玻璃板上，得到流延膜； 4)將流延膜經(jīng)程序升溫加熱，蒸發(fā)溶劑后，得到干燥的流延膜； 5)將干燥的流延膜置于烘箱中，在200-400°C下，熱還原3-8小時，即得到石墨烯/聚芳醚腈復(fù)合薄膜。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟I)中的超聲分散的溫度是22-35°C，超聲功率是100-140W，超聲時間是1-3小時。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中的超聲攪拌的溫度是60-100°C，超聲功率是100-140W，超聲時間是2-6小時。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟4)中的流延膜經(jīng)程序升溫緩慢蒸發(fā)溶劑，升溫程序設(shè)置為，第一階段80°C，保持1-2 h，第二階段10tC，保持l_2h，第三階段120°C，保持2-5 h，第四階段160°C，保持2_5h。
【文檔編號】C08L71/10GK105907076SQ201610296402
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】危仁波, 尤勇, 謝振平, 劉孝波, 徐麗
【申請人】珠海市遠康企業(yè)有限公司, 電子科技大學(xué)