一种石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜及其制备方法，其由氧化石墨烯、N?甲基吡咯烷酮和聚芳醚腈经反应制成，反应包括以下步骤：将氧化石墨烯溶于N?甲基吡咯烷酮中，超声分散，得到均匀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，超声搅拌，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；将氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液倾倒在玻璃板上，经程序升温加热，得到干燥流延膜，再将干燥的流延膜热还原，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。本发明的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜质量轻且界面相容性好；各项性能优异，可作为高介电、储能材料应用于电工电子、超级电容器、电池等领域。
【专利说明】
一种石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于有机高分子介电材料技术领域，具体涉及一种石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜及其制备方法，该石墨稀/聚芳醚腈复合薄膜可作为高介电、储能材料应用于电工电子、超级电容器、电池等领域中。
【背景技术】
[0002]随着航空、航天、电气、电子等领域技术的快速发展，传统的陶瓷等介电材料因其质量重，加工条件严苛、界面相容性差等因素受到越来越多的限制。因此开发出质轻的介电材料及制备方法意义重大且迫在眉睫。而高性能聚合物基高介电复合材料(含薄膜)凭借其强度高、质量轻、加工简便等优点受到越来越多的关注，成为一种具有远大前景的复合材料。这种复合材料密度低，可满足电子、电气材料质轻、稳定的要求。氧化石墨稀是一种性能优异的新型碳材料，是由碳原子以SP2杂化结合成的单原子碳层，结构非常稳定，表面及边缘分布着大量的羧基、羟基和环氧基等基团，使其可如同界面活性剂一般存在界面中，可以降低界面间的能量，因此能与聚合物具有良好的相容性。而聚合物基氧化石墨烯复合材料通过原位热还原后具有奇特的电学性质、优异的力学性能和良好的热学性质，在新材料、电子等领域具有广阔的应用前景。
[0003]聚芳醚腈最初的合成由于反应过程的复杂性，一直局限于实验室制备，上世纪80年代日本出光兴产株式会社首次成功开发了一种性能优异的聚芳醚腈树脂，该类高分子材料突出的耐热性、加工性及机械强度引起了人们的研究兴趣，但在商品报道后该产品的研究即销声匿迹。20世纪80年代，江西师范大学申请了以研究聚芳醚腈聚合物为主要任务的国家自然科学基金，标志着国内对于聚芳醚腈合成与性能的研究开始起步；1997年，四川联合大学的张军华、唐安斌等人、江西师范大学的廖维林等人分别报道了多种结构的聚芳醚腈的合成；1998年，关于聚芳醚腈的研究主要集中在通过分子设计制备具有特殊性能的聚芳醚腈树脂，极大丰富了聚芳醚腈系列树脂的品种。2005年后，电子科技大学专攻聚芳醚腈的合成以与改性研究，使得聚芳醚腈聚合物逐步产业化，通过分子工程、合成、加工技术及复合材料制备技术的探索研究，已形成一大类具有我国自主知识产权的特种高分子材料。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有的介电材料质量重，难以加工成型等问题，提供一种质量轻、介电性能可控调节的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜及其高效的制备方法，从而实现了介电材料的轻量化及批量化制备，拓宽介电材料的应用范围。
[0005]本发明采用的技术方案是，一种石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜，所述的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜由氧化石墨烯、N-甲基吡咯烷酮和聚芳醚腈经反应制成，其中，N-甲基吡咯烷酮、氧化石墨烯和聚芳醚腈的质量比是I:0.0005-0.003:0.025-0.05。
[0006]所述的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数是6-112，电导率是2X10—7-5X 10—4 S/m，拉伸强度是80-120MPa。
[0007]—种石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将氧化石墨烯溶于N-甲基吡咯烷酮中，经超声分散得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)向步骤I)的氧化石墨烯溶液中加入聚芳醚腈，经超声搅拌，得到均匀分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)采用流延成膜的方法将步骤2)中的均匀分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热，蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜；
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在200-400°C下，热还原3-8小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0008]优选的，步骤I)中的超声分散的温度是22-35°C，超声功率是100-140W，超声时间是1-3小时。
[0009]优选的，步骤2)中的超声搅拌的温度是60-100°C，超声功率是100-140W，超声时间是2_6小时。
[0010]优选的，其特征在于，步骤4)中的流延膜经程序升温缓慢蒸发溶剂，升温程序设置为，第一阶段80°C，保持1-2 h，第二阶段100°C，保持l_2h，第三阶段120°C，保持2-5 h，第四阶段160°C，保持2-5h。
[0011 ]本发明的有益效果是:(I)本发明的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜质量轻且界面相容性好；(2)性能好，在I KHz时的介电常数为6-112、电导率为2X10—7-5 X 10—4 S/m，拉伸强度是80-120 Mpa，可作为高介电、储能材料应用于电工电子、超级电容器、电池等领域(3)加工简易，可进行工业化批量生产；(4)实现了介电性能的可控化调节，通过改变聚芳醚腈与氧化石墨烯的添加比例得到一系列具有不同介电性能的复合薄膜。
【附图说明】
[0012]附图1是石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的介电常数测试结果；
附图2是石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的导电率测试结果。
【具体实施方式】
[0013]以下介绍本发明制备方法的实施实例，但以下实例是用于说明本发明的示例，并不构成对本发明权利要求的任何限定。
[0014]实施例1
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将0.5mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在温度为25°C、超声功率为100W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为140W 下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜； 4)将流延膜经程序升温加热蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜，升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段10tC，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h;
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0015]制备所得的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为6.3，电导率为2X10—7 S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到96MPa。
[0016]实施例2
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将Img氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在温度为30°C、超声功率为120W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为140W下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜，升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段10tC，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h;
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0017]得到的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为12.1，电导率为6X10—7S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到94MPa。
[0018]实施例3
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将1.5mg氧化石墨烯溶于ImL N-甲基吡咯烷酮中，在温度为35°C、超声功率为140W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为120W下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜，升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段10tC，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h;
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0019]得到的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为32.3，电导率为5X 10—6S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到95MPa。
[0020]实施例4
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将1.7mg氧化石墨烯溶于ImL N-甲基吡咯烷酮中，在温度为25°C、超声功率为120W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加25mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为120W下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热，蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜;升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段100°C，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h；
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0021]得到的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为47.6，电导率为0.28X10—5 S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到85MPa。
[0022]实施例5
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将1.8mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在温度为25°C、超声功率为120W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加30mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为120W下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热，蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜;升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段100°C，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h；
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0023]得到的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为85.7，电导率为8X10—5S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到89MPa。
[0024]实施例6
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将2mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在温度为25°C、超声功率为100W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为120W下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜，升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段10tC，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h;
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0025]得到的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为91.2，电导率为8X10—5S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到93MPa。
[0026]实施例7
石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，包括以下步骤:
1)将3.0mg氧化石墨烯溶于ImLN-甲基吡咯烷酮中，在温度为25°C、超声功率为120W下，超声分散2小时，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液；
2)在步骤(I)的氧化石墨烯溶液中添加50mg聚芳醚腈，在温度为60°C、超声功率为120W下，超声搅拌5小时，得到氧化石墨烯/聚芳醚腈混合液；
3)将氧化石墨稀/聚芳醚腈混合溶液通过流延成膜的方法倾倒在玻璃板上，得到流延膜；
4)将流延膜经程序升温加热，蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜;升温程序设置为，第一阶段80°C，保持lh，第二阶段100°C，保持lh，第三阶段120°C，保持2h，第四阶段160°C，保持2h；
5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在300°C下，热还原5小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。
[0027]得到的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在IKHz时的介电常数为112.1，电导率为I X10—4 S/m，如图1和图2所示;该复合薄膜的拉伸强度平均达到91MPa。
【主权项】
1.一种石墨稀/聚芳醚腈复合薄膜，其特征在于，所述的石墨稀/聚芳醚腈复合薄膜由氧化石墨烯、N-甲基吡咯烷酮和聚芳醚腈经反应制成，其中，N-甲基吡咯烷酮、氧化石墨烯和聚芳醚腈的质量比是I:0.0005-0.003:0.025-0.05。2.根据权利要求1所述的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜，其特征在于，所述的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜在I KHz时的介电常数是6-112，电导率是2X10—7-5X10—4 S/m，拉伸强度是80-120MPa。3.根据权利要求1或2所述的石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将氧化石墨烯溶于N-甲基吡咯烷酮中，经超声分散得到均匀分散的氧化石墨烯溶液； 2)向步骤I)的氧化石墨烯溶液中加入聚芳醚腈，经超声搅拌，得到均匀分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液； 3)采用流延成膜的方法将步骤2)中的均匀分散的氧化石墨烯/聚芳醚腈混合溶液倾倒在玻璃板上，得到流延膜； 4)将流延膜经程序升温加热，蒸发溶剂后，得到干燥的流延膜； 5)将干燥的流延膜置于烘箱中，在200-400°C下，热还原3-8小时，即得到石墨烯/聚芳醚腈复合薄膜。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤I)中的超声分散的温度是22-35°C，超声功率是100-140W，超声时间是1-3小时。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中的超声搅拌的温度是60-100°C，超声功率是100-140W，超声时间是2-6小时。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中的流延膜经程序升温缓慢蒸发溶剂，升温程序设置为，第一阶段80°C，保持1-2 h，第二阶段10tC，保持l_2h，第三阶段120°C，保持2-5 h，第四阶段160°C，保持2_5h。
【文档编号】C08L71/10GK105907076SQ201610296402
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】危仁波, 尤勇, 谢振平, 刘孝波, 徐丽
【申请人】珠海市远康企业有限公司, 电子科技大学