一种MXene掺杂聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及介电材料技术领域，尤其涉及一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着电子集成技术的快速发展以及电子领域巨大的需求，目前对电介质材料的性能及要求越来越高，如要求材料具有较好的介电性能，同时具备良好的加工性能和轻质化等特点。如何制备出性能优异、工艺简单且具有产业化价值的高性能介电材料已成为当今介电材料的研究重点。高分子材料在其应用领域中大多被介电常数所限制，虽然其优异的机械加工性能有利于工业化生产，但是制备出的电子元器件的介电性能不理想导致其无法大量应用。陶瓷相介电材料虽然拥有高介电性能但也存在加工复杂，成本较高，制备过程中产生缺陷会导致其高损耗等问题。以上饮食导致单一高分子材料和传统导电陶瓷均不能满足要求。因此，以聚合物为基体的高介电复合材料逐渐成为研究的热点。

聚偏氟乙烯具有良好的物理和化学稳定性，且相对于大多数聚合物材料，拥有较高的介电常数，因此其被广泛用于介电材料的研究工作中。单一聚偏氟乙烯的介电常数仍然较低，无法满足人们对高介电性能材料的要求。二维过渡金属碳(氮)化物（mxene）作为继石墨烯之后的一类新型二维纳米材料，自发现以来，由于其优异的物理化学性能得到了广泛研究。mxene除具有传统二维材料的优异性能外，其高的导电性、良好的润滑性及电磁性等特殊性能，已被广泛地应用于能量存储、催化、润滑、电磁屏蔽、传感器、水净化等领域，并取得了一定的效果和进展。

通过把一种或多种导电材料作为填料添加到聚合物基体中，能够充分发挥出每种材料的优点，以满足人们对具有高介电性能、轻型材料的需求，已成为一大技术研究热点。但是，如何制备出具有高导电率、高强度、高热稳定性并具有一定的阻燃性的多相复合聚合物介电材料，目前是一大技术难题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将氟化镁粉末与浓度为5~12mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将max粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值在5~7之间，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯于不同比例混合，加入无水乙醇反复研磨得到预混合物，再采用热压成型工艺将预混合物热压成型，得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。

其中，所述氟化镁与所述盐酸的质量体积比为10:50~100g/ml。

优选地，所述氟化镁与所述盐酸的质量体积比为10:60g/ml，10:70g/ml，10:80g/ml，10:90g/ml。

其中，所述max粉末与所述氟化镁的质量比为10:10~35。

优选地，所述max粉末与所述氟化镁的质量比为10:15，10:20，10:25，10:30。

其中，按质量百分比计，所述mxene和所述聚偏氟乙烯的配比为1~10:90~99。

优选地，按质量百分比计，所述mxene和所述聚偏氟乙烯的配比为2:98，3:97，4:96，5:95，6:94，7:93，8:92，9:91。

其中，所述热压成型的温度为150~210℃。

优选地，所述热压成型的温度为160℃，170℃，180℃，190℃，200℃。

其中，所述热压成型的压力为30~90mpa。

优选地，所述热压成型的压力为40mpa，50mpa，60mpa，70mpa，80mpa。

其中，所述热压成型的时间10~60min。

优选地，所述热压成型的时间20min，30min，40min，50min。

本发明第二方面提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料，所述mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料是根据本发明第一方面提供的方法制备得到。

其中，在100赫兹测试条件下，所述mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的介电常数范围为5~115，介电损耗值域为0.01~0.1。

本发明的有益效果：

本发明通过改变二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料中mxene的含量来调节复合材料的介电常数，根据实际使用需求实现调节复合材料的介电常数；所制备的复合材料中聚合物基体相含量高，使得复合材料的加工性能好，可以根据需要制备成不同的形状；所制备的复合材料具有介电常数高、介电损耗低的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例制备得到的复合材料在100hz频率下的介电常数与mxene含量的关系曲线图；

图2为本发明实施例提供的不同mxene含量制备得到的复合材料的介电常数与频率的关系曲线图；

图3为本发明实施例提供的不同mxene含量制备得到的复合材料的介电损耗与频率的关系曲线图。

具体实施方式

以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将5g氟化镁粉末与30ml浓度为6mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将2.5gmax粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值为6，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯进行混合，其中mxene的重量为2%，聚偏氟乙烯的重量为98%，再加入无水乙醇研磨三次得到预混合物；最后将得到的预混合物装入模具中，在平板硫化机上，控制温度为180℃、压力为60mpa，热压30min，再保压冷却，制备得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料在频率100hz时的介电常数为49.8，介电损耗为0.04。

实施例2

本发明提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将5g氟化镁粉末与25ml浓度为8mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将5gmax粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值为5，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯进行混合，其中mxene的重量为3%，聚偏氟乙烯的重量为97%，再加入无水乙醇研磨三次得到预混合物；最后将得到的预混合物装入模具中，在平板硫化机上，控制温度为200℃、压力为40mpa，热压20min，再保压冷却，制备得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料在频率100hz时的介电常数为53.6，介电损耗为0.05。

实施例3

本发明提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将5g氟化镁粉末与35ml浓度为5mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将1.5gmax粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值为7，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯进行混合，其中mxene的重量为4%，聚偏氟乙烯的重量为96%，再加入无水乙醇研磨三次得到预混合物；最后将得到的预混合物装入模具中，在平板硫化机上，控制温度为150℃、压力为90mpa，热压40min，再保压冷却，制备得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料在频率100hz时的介电常数为64.4，介电损耗为0.03。

实施例4

本发明提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将5g氟化镁粉末与40ml浓度为10mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将3gmax粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值为6，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯进行混合，其中mxene的重量为7%，聚偏氟乙烯的重量为93%，再加入无水乙醇研磨三次得到预混合物；最后将得到的预混合物装入模具中，在平板硫化机上，控制温度为170℃、压力为70mpa，热压50min，再保压冷却，制备得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料在频率100hz时的介电常数为86.3，介电损耗为0.04。

实施例5

本发明提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将5g氟化镁粉末与45ml浓度为6mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将4.5gmax粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值为7，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯进行混合，其中mxene的重量为10%，聚偏氟乙烯的重量为90%，再加入无水乙醇研磨三次得到预混合物；最后将得到的预混合物装入模具中，在平板硫化机上，控制温度为210℃、压力为30mpa，热压10min，再保压冷却，制备得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料在频率100hz时的介电常数为74.8，介电损耗为0.01。

实施例6

本发明提供了一种mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将5g氟化镁粉末与50ml浓度为12mol/l的盐酸混合，搅拌均匀至氟化镁完全溶解，制备得到刻蚀剂；

s2、将3.5gmax粉末加入步骤s1制备得到的刻蚀剂中进行刻蚀，刻蚀完成后调节溶液ph值为5，再将溶液离心水洗后得到沉淀物，最后将沉淀物烘干得到成品mxene；

s3、将步骤s2得到的mxene和聚偏氟乙烯进行混合，其中mxene的重量为4%，聚偏氟乙烯的重量为96%，再加入无水乙醇研磨三次得到预混合物；最后将得到的预混合物装入模具中，在平板硫化机上，控制温度为160℃、压力为50mpa，热压60min，再保压冷却，制备得到片层状的二维纳米材料mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料。该复合材料在频率100hz时的介电常数为64.4，介电损耗为0.03。

为了验证本发明制备得到的mxene掺杂聚偏氟乙烯复合材料中mxene的含量对复合材料介电常数和介电损耗的影响，以下将以实施例1为参考，控制其他工艺和参数不变，通过调整复合材料中mxene和聚偏氟乙烯的重量比，设置对比试验。

图1是在100hz频率下的介电常数与mxene含量的关系曲线图，从图中可以看出：随着mxene含量的增加，复合材料的介电常数逐渐增大，当mxene含量为8%时，介电常数达到最大值123，当mxene含量继续增大，介电常数逐渐下降，因此mxene的含量优选5%~8%。

图2是不同mxene含量制备得到的复合材料的介电常数与频率的关系曲线图，从图2可以看出：随着频率的增加，复合材料的介电常数减小。

图3是不同mxene含量制备得到的复合材料的介电损耗与频率的关系曲线图，从图3可以看出：随着频率的增加，复合材料的介电损耗增加，但都小于纯pvdf的介电损耗。

需要说明的是：本发明提到的max为ti2alc陶瓷。

以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。