一种液态金属/高分子复合介电材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种液态金属/高分子复合介电材料及其制备方法 (Liquid metal/high polymer composite dielectric material and preparation method thereof ) 是由 李朝旭 徐洁 尤俊 于 2019-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于复合材料技术领域,具体涉及一种液态金属/高分子复合介电材料及其制备方法。将聚合单体溶液和液态金属及交联剂共混均匀,得到前驱体溶液；将前驱体溶液静置,得到的高分子介电材料。本发明方法制备方法简便,所制备的复合材料具备优秀的介电性能,同时拉伸性能优于传统介电材料,在可穿戴电子设备、软机器人等领域有广泛的应用前景。(The invention belongs to the technical field of composite materials, and particularly relates to a liquid metal/polymer composite dielectric material and a preparation method thereof. Uniformly blending the polymerization monomer solution, the liquid metal and the cross-linking agent to obtain a precursor solution; and standing the precursor solution to obtain the high-molecular dielectric material. The preparation method is simple and convenient, and the prepared composite material has excellent dielectric property and better tensile property than the traditional dielectric material, and has wide application prospect in the fields of wearable electronic equipment, soft robots and the like.)
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种液态金属/高分子复合介电材料及其制备方法。
背景技术
介电材料在现代电子及电力系统中具有重要的战略地位。在未来的发电、仿生、生物医学、光学、微系统、航空航天等方面有广阔的应用前景。传统的无机陶瓷材料具有高介电常数和高热电稳定性，但其加工温度较高且脆性大，难以满足现代电子工业的要求。
可穿戴电子产品和软机器人领域的迅速发展，对介电材料提出了更高的要求，既要具备优异的介电性能，又要其具备良好的力学性能和加工性能。而以高分子为基体，引入无机微/纳米颗粒或者其它无机物形成高分子复合介电材料成为研究主流。提高这些无机材料的负载量虽然可以提高材料的介电性能，但是同时会导致材料力学性能的显著下降。所以通过共混刚性无机材料的高分子复合介电材料在电化学性能和力学性能等方面虽然有了一定的提高，但仍然难以满足飞速发展的电子行业对电子材料越来越高的性能要求，因此，深入研发更好性能的高分子复合介电材料依然十分重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种液态金属/高分子复合介电材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种液态金属/高分子复合介电材料的制备方法：
(1)将聚合单体溶液和液态金属及交联剂共混均匀，得到前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液静置，得到的高分子介电材料。
进一步的说：
(1)在常温下将液态金属加入到聚合单体溶液中，通过共混的方式共混均匀，使得液态金属在聚合物单体溶液中实现微米或纳米级分散，得到前驱体分散液；
(2)将步骤(1)中的前驱体分散液震荡聚合成胶后，将其转移至模具中，静置1-14天得到液态金属/高分子复合介电材料。
所述步骤(1)中所述共混的方式包括磁力搅拌或低温超声，超声功率为100～400W，超声时间为10～20分钟，超声使用的细胞破碎仪，超声过程在冰浴中进行以防爆聚；
上述液态金属分散至聚合物单体溶液中使得液态金属粒径达到50nm～20μm形成微米或纳米级。
所述步骤(2)中将步骤(1)中的前驱体分散液震荡聚20～60分钟合成胶后。
所述液态金属占聚合单体溶液质量的0.5％-5％。
所述聚合单体溶液为单体溶于溶剂中；其中，单体占聚合单体溶液总质量的10-30％。
所述单体为丙烯酸，丙烯酰胺，丙烯腈，丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种；溶剂为去离子水或乙醇。
上述单体为丙烯酰胺，丙烯腈，丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯时，在配置前驱体分散液时可加入交联剂，可进一步的提升高分子间的交联，增强体系的网络结构，添加量为单体的0～0.2mol％；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺
所述液态金属为常温下是液态的低熔点的镓和/或含镓的合金的溶液。
所述含镓的合金为镓的二元合金和/或镓的三元合金。
所述液态金属为镓的二元合金；其中，镓铟合金中镓的含量为质量分数50％-90％，其余为铟；所述液态金属为镓铟锡三元合金；其中，镓铟锡三元合金中镓的含量为质量分数60％-80％，铟的含量为质量分数10％-30％，其余为锡。
一种上述制备所得液态金属/高分子复合介电材料，按所述的方法制备获得介电常数为7.5-20.0的液态金属/高分子复合介电材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点与技术效果：
本发明制备过程中使用的聚合单体不需要提纯除去阻聚剂，聚合过程中也不需排氧氮气保护，精简了传统的聚合流程，提高了生产效率，降低了生产成本；
本发明聚合单体溶液中以丙烯酸作为聚合单体或共聚单元时，丙烯酸可腐蚀液态金属并逐渐释放能够络合聚丙烯酸的镓离子，实现高分子链的物理交联，可见不需要添加其他交联剂即可实现高分子间的交联。以丙烯酰胺，丙烯腈，丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯作为单体与液态金属分散时添加交联剂除通过物理交联外还通过化学交联形成稳定的网络结构，上述各交联形式的分散液中镓离子的缓慢释放，体系在反应初期表现出优异的可塑性，可任意塑形，便于加工成型；而且制备过程在常温常压下进行，进而对设备要求低。
本发明制备所得材料改善了传统介电材料的力学性能，因液态金属这种柔性材料的加入，使其具备更优异的柔性和弹性，断裂伸长率最大可达1600％，更能满足可穿戴设备和电子工业发展的需求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的复合材料的光学显微镜照片；
图2为本发明实施例1提供的复合材料可塑性照片；
图3为本发明实施例1提供的复合材料的应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明复合材料由液态金属和高分子共混组成。将液态金属加入至聚合单体溶液中，低温超声分散，即得液态金属微/纳米级分散的前驱体分散液；待其成胶后转移至模具中静置，即得液态金属/高分子复合介电材料。其中，所述液态金属为镓、镓的二元合金和镓的三元合金中的一种或几种，所述聚合单体包括丙烯酸，丙烯酰胺，丙烯腈，丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。本发明方法制备方法简便，所制备的复合材料具备优秀的介电性能，同时拉伸性能优于传统介电材料，在可穿戴电子设备、软机器人等领域有广泛的应用前景。
本发明复合材料柔性，且将具备高导热性能的液态金属加入到高分子基底中，善了传统介电材料的力学性能，具备更优异的柔性和弹性，断裂伸长率最大可达1600％，更能满足可穿戴设备和电子工业发展的需求提供一种液态金属/高分子复合介电材料及其制备方法。
实施例1
液态金属/高分子复合介电材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)在室温下称取3g丙烯酸于小样品瓶中，再加入12g去离子水，混匀后向其加入0.17g镓铟合金；其中，镓铟合金中镓铟质量比为3：1g/g。
(2)将步骤(1)中的样品置于细胞破碎仪中超声分散，冰浴处理，超声时间10分钟，功率300W(参见图1)；
(3)将步骤(2)中的分散液置于摇床摇晃20分钟，后转移至直径为6mm的塑料培养皿中密封平放保存7天，得到液态金属/高分子复合介电材料。
材料制备过程中展现出良好的可塑性(参见图2)而后利用E4980A安捷伦仪和609B铁电仪对实施例所得复合材料的介电性能进行测试，测得介电常数为8.0(25℃,10kHz)，利用电子万能试验机测得制备出的液态金属/高分子复合介电材料断裂伸长率约900％(参见图3)。
由图1可见，利用透射电子显微镜可观察到纳米级分散的液态金属液滴，表面包覆了聚丙烯酸，体现了镓离子和高分子的络合和交联。由图2可见，所得材料在制备过程中可实现多种形变；并且由图3可见所得材料的应力应变曲线，断裂伸长率接近900％。
实施例2
一种液态金属/高分子复合介电材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)在室温下称取4g丙烯酸于小样品瓶中，再加入12g去离子水，混匀后向其加入0.2g金属镓；
(2)将步骤(1)中的样品置于细胞破碎仪中超声分散，冰浴处理，超声时间15分钟，功率200W；
(3)将步骤(2)中的分散液置于摇床摇晃30分钟，后转移至直径为6mm的塑料培养皿中密封平放保存14天，得到液态金属/高分子复合介电材料。
对实施例获得复合材料进行性能测试：液态金属/高分子复合介电材料断裂伸长率约680％，韧性可达3.54MJ/m3介电常数为8.5(25℃,10kHz)，制备所得复合材料表现出优异的可塑性。
实施例3
一种液态金属/高分子复合介电材料，具体步骤如下：
(1)在室温下称取2.4g丙烯酰胺于小样品瓶中，再加去离子水至总质量为16g，待丙烯酰胺充分溶解后加入52mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶解混匀后向其加入0.14g镓铟合金；其中，镓铟合金中镓铟质量比为3:2；
(2)将步骤(1)中的样品置于细胞破碎仪中超声分散，冰浴处理，超声时间20分钟，功率300W；
(3)将步骤(2)中的分散液置于摇床摇晃30分钟，后转移至直径为6mm的塑料培养皿中密封平放保存7天，得到液态金属/高分子复合介电材料。
对实施例获得复合材料进行性能测试：液态金属/高分子复合介电材料断裂伸长率约750％，介电常数为8.0(25℃,10kHz)。
实施例4
一种液态金属/高分子复合介电材料，具体步骤如下：
(1)在室温下称取1.33g丙烯酰胺和0.67g丙烯酸于小样品瓶中，再加去离子水至总质量为16g，完全溶解混匀后加入8mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺，溶解混匀后向其加入0.14g镓铟合金；其中，镓铟合金中镓铟质量比为3:2；
(2)将步骤(1)中的样品置于细胞破碎仪中超声分散，冰浴处理，超声时间20分钟，功率300W；
(3)将步骤(2)中的分散液置于摇床摇晃30分钟，后转移至直径为6mm的塑料培养皿中密封平放保存1天，得到液态金属/高分子复合介电材料。对实施例获得复合材料进行性能测试：液态金属/高分子复合介电材料断裂伸长率约2000％，介电常数为7.8(25℃,10kHz)。
实施例5
一种液态金属/高分子复合介电材料，具体步骤如下：
(1)在室温下称取2.33g丙烯腈和0.67g丙烯酸甲酯于小样品瓶中，再加已溶于2ml去离子水的0.7g亚硫酸氢钠，混匀后向其加入0.17g镓铟锡合金和10ml水；其中，镓铟锡合金中镓铟锡质量比为3：1：1。
(2)将步骤(1)中的样品置于细胞破碎仪中超声分散，冰浴处理，超声时间10分钟，功率300W；
(3)将步骤(2)中的分散液置于摇床摇晃20分钟，过滤洗涤后转移至直径为6mm的塑料培养皿中密封平放保存2天，得到液态金属/高分子复合介电材料。
采对实施例获得复合材料复合材料进行性能测试：液态金属/高分子复合介电材料断裂伸长率约100％，介电常数为16.0(25℃,10kHz)。
实施例6
一种液态金属/高分子复合介电材料，具体步骤如下：
(1)在室温下称取2g甲基丙烯酸甲酯和0.15g烷基乙烯基磺酸盐于小样品瓶中，再加入15g水和0.2g镓铟合金；其中，镓铟合金中镓铟质量比为9：1。
(2)将步骤(1)中的样品置于细胞破碎仪中超声分散，冰浴处理，超声时间20分钟，功率400W；
(3)将步骤(2)中的分散液置于摇床摇晃30分钟，过滤洗涤后转移至直径为6mm的塑料培养皿中密封平放保存1天，得到液态金属/高分子复合介电材料。
对实施例获得复合材料复合材料进行性能测试：液态金属/高分子复合介电材料断裂伸长率约110％，介电常数为20(25℃,10kHz)。
进而由上述各实施例可见，通过液态金属和聚合单体共混聚合所得的复合材料，不仅表现出较高的介电性能，还具备一般复合材料不具备的可塑性和较好的柔性，此外制备过程中不需除氧和氮气保护等常规聚合反应必备的步骤，因此可提高生产效率。