一种氧化镁/聚苯乙烯复合介电材料的制备方法与流程

本发明涉及一种氧化镁聚合物薄膜复合材料的制备方法，属于纳米复合材料技术领域。

背景技术：

聚合物复合介电材料因其易加工、稳定性好、质量轻等优点，在集成电路、器件小型化、能源存储装备和电润湿、微流体等方面广泛应用。例如，聚合物复合材料可制备成埋入式电容器，有利于电子电工领域集成电路的制备；制备高介耐击穿聚合物复合材料，提高材料的电能储能密度，有利于能源存储装置的制备；制备高介疏水绝缘聚合物复合材料，可作为疏水绝缘层，用于电润湿、微流体设备中的制备。总体来说聚合物复合材料因其优异的性能和广泛的适用性，具有深入研究的意义与价值。

聚苯乙烯作为最早应用于工业生产的聚合物之一，具有稳定的物理和化学结构，抗吸水防潮性能优异，熔融时热稳定性和流动性良好，高频特性好，易于各种方式加工成型，适宜大规模生产。但聚苯乙烯自身的介电常数较低，大大限制了其在电容、储能、电润湿等介电领域的应用。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种氧化镁/聚苯乙烯复合介电材料的制备方法。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种氧化镁/聚苯乙烯复合介电材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)向n，n-二甲基甲酰胺中加入聚苯乙烯，搅拌后得到透明澄清溶液；将氧化镁分散于透明澄清溶液中，得到均匀的悬浊液；

其中，n，n-二甲基甲酰胺与聚苯乙烯的质量比为5～10∶1；氧化镁与透明澄清溶液的质量比为2％～8％；

(2)将悬浊液经流延成型后，在60℃温度下干燥，得到薄膜状的氧化镁/聚苯乙烯复合介电材料。

本发明中，所述氧化镁通过下述方式制备获得：

a、将四水乙酸镁(mg(ac)2)和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入乙二醇中，四水乙酸镁与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1∶100；搅拌后移入接有冷凝回流装置的反应器中，控制反应温度在180～185℃之间；反应2小时后，自然冷却至室温；

在添加反应物时，控制四水乙酸镁与乙二醇的质量比为1∶29以制备片状氧化镁；或者，控制四水乙酸镁与乙二醇的质量比为1∶39，以制备颗粒状氧化镁；

b、离心分离反应得到的浑浊液体，先用去离子水再用乙醇交替洗涤沉淀产物至少两轮后，将沉淀产物在60℃的温度下干燥，得到前驱体氢氧化镁；

c、将前驱体氢氧化镁在500℃的空气中灼烧，得到氧化镁。

本发明中，步骤(1)中所述的搅拌是指：在室温下搅拌6h。

本发明中，在步骤(1)中添加氧化镁之前，先将氧化镁在细胞粉碎机中超声分散处理1h。

本发明中，步骤(1)中所述的分散是指：超声分散处理2h后再以磁力搅拌12h。

本发明中，将步骤(1)所得悬浊液移至抽真空装置中，抽真空1h以排除气泡。

本发明中，步骤(2)中所述的干燥时间为6h。

本发明中，步骤c中所述的灼烧是指：在马弗炉中烧结3h。

发明原理描述：

本发明采用了填充氧化镁提高聚苯乙烯介电常数的方法，即通过简单的回流制备技术，制备出不同形貌纳米氧化镁粉末，通过溶液共混、流延成型制备复合材料，利用电场在氧化镁与聚苯乙烯中分布较为均匀的特性，在氧化镁填充含量较低情况下，提高复合材料的综合介电性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过简单的回流制备技术，制备出片状和颗粒状纳米氧化镁粉末，通过溶液共混、流延成型制备复合材料，利用电场在氧化镁与聚苯乙烯中分布较为均匀的特性，在较低填充体积下，提高复合材料的综合介电性能。

2、本发明制备工艺简单，可操作性强，且原料易得到，适宜工业化生产。可通过调节填入无机填料的体积分数，调节聚合物基复合材料介电性能。无机填料填充体积低，在填充分数仅8％下得到良好的介电性能的提升，可保持聚合物良好的韧性。

附图说明

图1为实施例中所制备的片状氧化镁(m150)的sem照片。

图2为实施例中所制备的颗粒状氧化镁(m200)的sem照片。

图3为两种形貌的氧化镁及其前驱体的xrd图谱。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明：

下面结合实施例和对比例对本发明作进一步描述。

实施例1-8

(1)向盛有乙二醇的三口烧瓶中，加入四水乙酸镁和聚乙烯吡咯烷酮，四水乙酸镁与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1∶100；将三口烧瓶移至加热器中，搭接好冷凝回流装置，通入冷凝水；控制反应温度在180～185℃，反应两小时后，自然冷却至室温。

在添加反应物时，控制四水乙酸镁与乙二醇的质量比为1∶29以制备片状氧化镁(编号m150，呈薄片状)；或者，控制四水乙酸镁与乙二醇的质量比为1∶39，以制备颗粒状氧化镁(编号m200，呈颗粒状)。

(2)离心分离反应得到的浑浊液体，将白色沉淀产物用去离子水和乙醇交替洗涤2轮后移至烘箱，在60℃的温度下干燥，得到前驱体氢氧化镁。将前驱体氢氧化镁移至马弗炉中，在500℃下烧结3h，得到氧化镁。将氧化镁在细胞粉碎机中超声分散1h，备用。

(3)将聚苯乙烯溶解于n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，在室温下搅拌6h，得到透明澄清溶液。取粉碎后的氧化镁加入澄清溶液中，超声分散2h后再磁力搅拌12h。控制n，n-二甲基甲酰胺与聚苯乙烯的质量比为5～10∶1；氧化镁与透明澄清溶液的质量比为2％～8％。

(4)将上述分散良好的悬浊液移至抽真空玻璃器皿，抽真空排除气泡1h。随后在流延机上流延成型，移至真空干燥箱干燥在60℃干燥6h，使溶剂充分挥发，得到薄膜状的氧化镁/聚苯乙烯复合介电材料(编号如表1、2中所示)。

(5)通过真空镀膜机在复合膜两面分别镀上厚度为150nm，直径为20mm纯铜作为电极，进行后续电学性能测试。

表1

对比例(实施例9)

(1)将聚苯乙烯溶解于dmf中，其中聚苯乙烯与dmf质量比控制为1:5，在室温下搅拌6h，得到透明澄清溶液。

(2)将上述澄清溶液移至真空玻璃器皿，抽真空排除气泡1h。随后在流延机上流延成型，移至真空干燥箱干燥在60℃干燥6h，使溶剂充分挥发，得到对照聚苯乙烯薄膜。

(3通过真空镀膜机在复合膜两面分别镀上厚度为150nm，直径为20mm纯铜作为电极，进行后续电学性能测试。

实施效果比对

图1、图2所示为制备的两种形貌mgo的sem图，图1为m150，呈薄片状；图2为m200，呈颗粒状，粒径尺寸为50-100nm。可看出制备出的mgo形貌稳定、尺寸均一。图3为两种形貌的氧化镁及其前驱体的xrd图谱，可看出前驱体粉体为六方相氢氧化镁(pdf#07-0239)，经空气中500℃烧结3h后，完全转变为立方相氧化镁(pdf#45-0946)。

表1给出了实施例和对比例中实例制备得到的复合薄膜的介电性能。从表中可以看出，不论是片状氧化镁(m150)还是颗粒状氧化镁(m200)，其介电常数随着无机填料填充量的升高而增大，在填充分数仅为6％时，介电常数达到最大，为纯聚苯乙烯介电常数的1.5倍左右，并且介电损耗均保持在较低水平。一般来说，填充颗粒的长径比越高，更有利于达到渗流阈值从而提高材料的介电常数，在相同填充分数下，片状氧化镁介电常数较高。

表2

需要说明的是，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。