具有高介电常数和低介电损耗的聚合物组合物的制作方法

1.本发明涉及具有高介电常数和低介电损耗的聚合物组合物。


背景技术：

2.在电子工业中非常需要具有高介电常数的聚合物复合材料。此类聚合物复合材料可以用于各种电子系统和装置，如电容器、致动器、电源电缆端接、微型天线材料等。在聚合物材料中实现高介电常数的一种常规方法是掺入导电填料，如基于碳或基于金属的填料。然而，发现尽管聚合物材料中较高含量水平的导电填料可以改善其介电常数，但是这也引起介电损耗的增加。因此，仍然需要开发用于聚合物材料的导电填料，从而使得聚合物材料的介电常数增加，同时其介电损耗保持较低。


技术实现要素：

3.本文提供了聚合物组合物，其包含：a)至少一种热塑性聚合物；和b)约2
‑
30重量％的涂覆有二氧化硅涂覆颗粒的石墨薄片，所述组合物的总重量总计为100重量％，其中，经涂覆的石墨薄片具有的c∶si重量比范围为约10∶1
‑
4∶1，并且二氧化硅颗粒具有约80
‑
400nm的平均直径。
4.在聚合物组合物的一个实施例中，所述至少一种热塑性聚合物选自由以下组成的组：聚酰胺、聚酯、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚酮、聚醚、聚苯硫醚、聚苯醚、聚甲醛、聚碳酸酯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚烯烃、及其两种或更多种的组合，或者所述至少一种热塑性聚合物选自聚酰胺，或者所述至少一种热塑性聚合物为聚酰胺6，6。
5.在聚合物组合物的另一个实施例中，所述至少一种热塑性聚合物以基于组合物的总重量的约30
‑
96重量％或约40
‑
90重量％或约50
‑
85重量％的水平存在于组合物中。
6.在聚合物组合物的又另一个实施例中，经涂覆的石墨薄片以基于组合物的总重量的约3
‑
30重量％或约4
‑
25重量％的水平存在于组合物中。
7.在聚合物组合物的又另一个实施例中，二氧化硅涂覆颗粒具有约85
‑
350nm的平均直径或约90
‑
300nm的平均直径。
8.在聚合物组合物的又另一个实施例中，经涂覆的石墨薄片具有的c∶si重量比范围为约9.5∶1
‑
4∶1或约9∶1
‑
4.5∶1。
9.本文进一步提供了由上文公开的聚合物组合物形成的制品。
10.在一个实施例中，制品是电子装置的一部分。
具体实施方式
11.本文公开了具有高介电常数和低介电损耗的聚合物组合物。所述聚合物组合物包含：a)至少一种热塑性聚合物，和b)约2
‑
30重量％的用二氧化硅颗粒涂覆的石墨薄片，其中，经涂覆的石墨薄片具有的c∶si重量比范围为约10∶1
‑
4∶1，并且二氧化硅涂覆颗粒具有约80
‑
400nm的平均直径。
12.本文所用的术语“热塑性聚合物”是指当加热时变成液体并在充分冷却时冻结成刚性状态的聚合物。根据本公开，合适的热塑性聚合物包括，但不限于，聚酰胺、聚酯、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚酮、聚醚、聚苯硫醚、聚苯醚、聚甲醛、聚碳酸酯、聚乳酸及其共聚物、聚苯乙烯及其共聚物(例如，abs、sbs、san等)、聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯和/或聚丙烯的共聚物)等。
13.在一个实施例中，本文所用的热塑性聚合物选自聚酰胺。合适的聚酰胺包括脂族聚酰胺和芳族聚酰胺两者。
14.聚酰胺是(a)一种或多种二羧酸和一种或多种二胺的缩合产物，或(b)一种或多种氨基羧酸的缩合产物，或(c)一种或多种环状内酰胺的开环聚合产物。本文所用的芳族聚酰胺可以是含有至少一种芳族单体组分的均聚物、共聚物、三元共聚物或高聚物。例如，芳族聚酰胺可以通过使用脂族二羧酸和芳族二胺或使用芳族二羧酸和脂族二胺作为原材料并使它们缩聚而得到。
15.本文所用的合适的二胺可以选自脂族二胺、脂环二胺、和芳族二胺。本文有用的示例性二胺包括，但不限于，四亚甲基二胺；六亚甲基二胺；2
‑
甲基五亚甲基二胺；九亚甲基二胺；十一亚甲基二胺；十二亚甲基二胺；2，2，4
‑
三甲基六亚甲基二胺；2，4，4
‑
三甲基六亚甲基二胺；5
‑
甲基九亚甲基二胺；1，3
‑
双(氨基甲基)环己烷；1，4
‑
双(氨基甲基)环己烷；1
‑
氨基
‑3‑
氨基甲基
‑
3，5，5
‑
三甲基环己烷；双(4
‑
氨基环己基)甲烷；双(3
‑
甲基
‑4‑
氨基环己基)甲烷；2，2
‑
双(4
‑
氨基环己基)丙烷；双(氨基丙基)哌嗪；氨基乙基哌嗪；双(对
‑
氨基环己基)甲烷；2
‑
甲基八亚甲基二胺；三甲基六亚甲基二胺；1，8
‑
二氨基辛烷；1，9
‑
二氨基壬烷；1，10
‑
二氨基癸烷；1，12
‑
二氨基十二烷；间亚二甲苯基二胺；对亚二甲苯基二胺；等及其衍生物。
16.本文所用的合适的二羧酸可以选自脂族二羧酸、脂环二羧酸、和芳族二羧酸。本文有用的示例性二羧酸包括，但不限于，己二酸；癸二酸；壬二酸；十二烷酸；对苯二甲酸；间苯二甲酸；邻苯二甲酸；戊二酸；庚二酸；辛二酸；1，4
‑
环己烷二甲酸；萘二甲酸；等及其衍生物。
17.本文所用的示例性脂族聚酰胺包括，但不限于，聚酰胺6；聚酰胺6，6；聚酰胺4，6；聚酰胺6，10；聚酰胺6，12；聚酰胺11；聚酰胺12；聚酰胺9，10；聚酰胺9，12；聚酰胺9，13；聚酰胺9，14；聚酰胺9，15；聚酰胺6，16；聚酰胺9，36；聚酰胺10，10；聚酰胺10，12；聚酰胺10，13；聚酰胺10，14；聚酰胺12，10；聚酰胺12，12；聚酰胺12，13；聚酰胺12，14；聚酰胺6，14；聚酰胺6，13；聚酰胺6，15；聚酰胺6，16；等。
18.本文所用的示例性芳族聚酰胺包括，但不限于，聚(间亚二甲苯基己二酰胺)(聚酰胺mxd，6)；聚(十二亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺12，t)；聚(十一亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺11，t)；聚(十亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺10，t)；聚(九亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺9，t)；聚(六亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺6，t)；六亚甲基己二酰胺/六亚甲基对苯二甲酰胺共聚酰胺(聚酰胺6，t/6，6，即，具有至少约50摩尔％的衍生自6，t的重复单元的聚酰胺6，t/6，6)；六亚甲基对苯二甲酰胺/六亚甲基己二酰胺共聚酰胺(聚酰胺6，6/6，t，即，具有至少约50摩尔％的衍生自6，6的重复单元的聚酰胺6，6/6，t)；聚(六亚甲基对苯二甲酰胺/六亚甲基间苯二甲酰胺)(聚酰胺6，t/6，i，即，具有至少约50摩尔％的衍生自6，t的重复单元的聚酰胺6，t/6，i)；六亚甲基对苯二甲酰胺/2
‑
甲基五亚甲基对苯二甲酰胺共聚酰胺(聚
酰胺6，t/d，t)；六亚甲基己二酰胺/六亚甲基对苯二甲酰胺/六亚甲基间苯二甲酰胺共聚酰胺(聚酰胺6，6/6，t/6，i)；聚(己内酰胺
‑
六亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺6/6，t)；聚(六亚甲基间苯二甲酰胺/六亚甲基对苯二甲酰胺)(聚酰胺6，i/6，t，即，具有至少约50摩尔％的衍生自6，i的重复单元的聚酰胺6，i/6，t)；聚(六亚甲基间苯二甲酰胺)(聚酰胺6，i)；聚(间亚二甲苯基间苯二甲酰胺/六亚甲基间苯二甲酰胺)(聚酰胺mxd，i/6，i)；聚(间亚二甲苯基间苯二甲酰胺/间亚二甲苯基对苯二甲酰胺/六亚甲基间苯二甲酰胺)(聚酰胺mxd，i/mxd，t/6，i/6，t)；聚(间亚二甲苯基间苯二甲酰胺/十二亚甲基间苯二甲酰胺)(聚酰胺mxd，i/12，i)；聚(间亚二甲苯基间苯二甲酰胺)(聚酰胺mxd，i)；聚(二甲基二氨基二环己基甲烷间苯二甲酰胺/十二烷酰胺)(聚酰胺macm，i/12)；聚(二甲基二氨基二环己基甲烷间苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷对苯二甲酰胺/十二烷酰胺)(聚酰胺macm，i/macm，t/12)；聚(六亚甲基间苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷间苯二甲酰胺/十二烷酰胺)(聚酰胺6，i/macm，i/12)；聚(六亚甲基间苯二甲酰胺/六亚甲基对苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷间苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷对苯二甲酰胺)(聚酰胺6，i/6，t/macm，i/macm，t)；聚(六亚甲基间苯二甲酰胺/六亚甲基对苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷间苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷对苯二甲酰胺/十二烷酰胺)(聚酰胺6，i/6，t/macm，i/macm，t/12)；聚(二甲基二氨基二环己基甲烷间苯二甲酰胺/二甲基二氨基二环己基甲烷十二烷酰胺)(聚酰胺macm，i/macm，12)；等。
19.在另一个实施例中，本文所用的热塑性聚合物是聚酰胺6，6。
20.基于本文公开的聚合物组合物的总重量，所述至少一种热塑性聚合物可以以约30
‑
96重量％、约40
‑
90重量％、或约50
‑
85重量％的水平存在。
21.本文所用的石墨薄片是不呈纤维形式的石墨颗粒。石墨薄片还包括石墨粉和石墨颗粒。石墨可以是天然存在的石墨或合成石墨。非纤维石墨或石墨薄片具有小于2的纵横比(长宽比)。此类薄片典型地为圆形、椭圆形、扁平或不规则形状。
22.根据本公开，本文所用的石墨薄片完全或部分地涂覆有二氧化硅颗粒，这被称为经涂覆的石墨薄片。二氧化硅涂覆颗粒具有约80
‑
400nm或约85
‑
350nm或约90
‑
300nm的平均直径。平均直径可以通过使用例如扫描电子显微镜(sem)测量100个或更多个随机挑选的经涂覆的石墨薄片的直径并对其求平均来确定。并且，在经涂覆的石墨薄片中，c∶si的重量比范围为约10∶1
‑
4∶1，或约9.5∶1
‑
4∶1，或约9∶1
‑
4.5∶1。
23.本文所用的经涂覆的石墨薄片可以通过溶胶
‑
凝胶法制备，如在pct专利申请公开第wo201531570号(其通过引用并入本文)中公开的方法。溶胶
‑
凝胶法包括在溶剂中混合石墨薄片、二氧化硅前体、水解和表面活性剂(任选的并且可以是阳离子表面活性剂或两性表面活性剂)以产生混合物溶液。这种混合导致二氧化硅前体化学反应以在石墨薄片的表面上形成二氧化硅颗粒层。并且，可以通过过滤从混合物溶液中除去经涂覆的石墨薄片。
24.溶胶
‑
凝胶法中使用的溶剂是水溶液，在水溶液中，石墨薄片、二氧化硅前体、水解和任选的表面活性剂均匀地分散并反应。优选地，本文所用的溶剂是水与以下中的任何一种或多种的溶剂混合物：异丙醇(ipa)、甲醇、乙醇、甲乙酮(mek)、甲基异丁基酮(mibk)、丙二醇单甲醚(pgme)、丙二醇单甲醚乙酸酯(pgmea)、单乙醇胺(mea)、二丙二醇二丙烯酸酯(dpgda)、及其两种或更多种的混合物。在一个实施例中，溶剂是水与以下中的一种或多种的水溶液：异丙醇(ipa)、甲醇、乙醇、甲乙酮(mek)、甲基异丁基酮(mibk)、丙二醇单甲醚
(pgme)、丙二醇单甲醚乙酸酯(pgmea)、单乙醇胺(mea)、二丙二醇二丙烯酸酯(dpgda)。在一个实施例中，溶剂可以是水与以下中的一种或多种的混合物：异丙醇(ipa)、甲醇和乙醇。当溶剂是水与ipa、甲醇或乙醇的水溶液时，溶剂的量可以在约300至5000重量份/100重量份石墨薄片的范围内，并且水与ipa、甲醇和/或乙醇之间的质量比在约1∶3至约1∶10的范围内。
25.溶胶
‑
凝胶法中使用的二氧化硅前体是涂覆石墨薄片的二氧化硅的来源。
26.二氧化硅前体可以是由式(i)表示的硅烷氧化物(silicon alkoxide)：
27.(r1)n si(or2)4
‑
n，其中
28.r1表示具有1至8个相同或不同的、取代或未取代的碳原子的烃，n表示0、1、2或3，并且r2表示具有1至8个碳原子的烃。硅烷氧化物与水和水解催化剂反应生成二氧化硅，二氧化硅是涂覆碳颗粒的实体。
29.硅烷氧化物可以是四烷氧基硅烷。或者，四烷氧基硅烷可以是四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷、四丁氧基硅烷、四戊氧基硅烷、四辛氧基硅烷、四壬氧基硅烷、二甲氧基二乙氧基硅烷、二甲氧基二异丙氧基硅烷、二乙氧基二异丙氧基硅烷、二乙氧基二丁氧基硅烷、二乙氧基二(三苯甲氧基)硅烷、或其两种或更多种的混合物。
30.当硅烷氧化物是四乙氧基硅烷(teos，si(oc2h5)4))时，水解反应为：
31.si(oc2h5)4 2h2o
→
sio2 4c2h5oh
32.水解催化剂作为酸性水解催化剂或碱性水解催化剂促进二氧化硅前体的水解反应。本文所述的方法可以使用酸性水解催化剂或碱性水解催化剂。酸性水解催化剂是质子(h

)供体，其通过氧原子的质子化来促进水解反应，而碱性水解催化剂是质子(h

)受体，其通过在水解中使质子从碳原子转移以实现亲核加成来促进反应。
33.作为酸性水解，盐酸可以是优选的，而作为碱性水解催化剂，氢氧化铵可以是优选的。
34.表面活性剂任选地包括在溶胶
‑
凝胶法中。本文所用的表面活性剂可以是具有在水溶液中解离成阳离子的亲水基团的阳离子表面活性剂，或者可以是在水溶液中解离成阴离子和阳离子两者的两性表面活性剂。表面活性剂在所述方法中用作石墨薄片和二氧化硅的粘结剂。
35.本文所用的示例性两性表面活性剂包括，但不限于，聚乙烯吡咯烷酮、月桂基二甲基氨基乙酸甜菜碱、硬脂基二甲基氨基乙酸甜菜碱、月桂基二甲基胺氧化物、月桂酸酰氨基丙基甜菜碱、月桂基羟基磺基甜菜碱、2
‑
烷基
‑
n
‑
羧甲基
‑
n
‑
羟乙基咪唑啉鎓甜菜碱、n
‑
月桂酰基
‑
n
′‑
羧甲基
‑
n
′‑
羟乙基乙二胺钠、n
‑
椰子油脂肪酸酰基
‑
n
′‑
羧乙基
‑
n
′‑
羟乙基乙二胺钠、油基
‑
n
‑
羧乙基
‑
n
‑
羟乙基乙二胺钠、椰油酰氨基丙基甜菜碱、月桂酰氨基丙基甜菜碱、肉豆蔻酰氨基丙基甜菜碱、棕榈仁酰氨基丙基甜菜碱、月桂酰氨基丙基羟基磺基甜菜碱、月桂酰氨基丙基胺氧化物、羟烷基(c12
‑
14)羟乙基肌氨酸等。
36.合适的阳离子表面活性剂可以选自季铵盐、烷基胺盐、吡啶鎓盐等。季铵盐和烷基胺盐由式(ii)表示：
37.其中
38.r表示相同或不同的烷基，并且x表示卤素氟(f)、氯(cl)和溴(br)。
39.本文所用的季铵盐的实例包括，但不限于，十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、辛基三甲基氯化铵、辛基三甲基溴化铵、癸基三甲基氯化铵、癸基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、硬脂基三甲基氯化铵、硬脂基三甲基溴化铵、鲸蜡基三甲基氯化铵、鲸蜡基三甲基溴化铵、二硬脂基二甲基氯化铵、二硬脂基二甲基溴化铵、苯扎氯铵、苄索氯铵、鲸蜡基氯化吡啶鎓、氯化十氢化萘(decalinium chloride)和碘氟烷基三甲基铵等。
40.本文所用的烷基胺的实例包括，但不限于，三辛胺盐酸盐(rioctylamine)、三辛胺氢溴酸盐、三癸胺盐酸盐、三癸胺氢溴酸盐、三(十二烷基)胺盐酸盐、三(十二烷基)胺氢溴酸盐、三(十六烷基)胺盐酸盐、三(十六烷基)胺氢溴酸盐、三(十八烷基)胺盐酸盐、三(十八烷基)胺氢溴酸盐等。
41.吡啶鎓盐具有吡啶环，并由通式(iii)表示：
42.其中
43.r表示烷基，并且x表示卤素氟(f)、氯(cl)和溴(br)。
44.本文所用的吡啶鎓盐的实例包括，但不限于，氯化吡啶鎓、鲸蜡基氯化吡啶鎓、鲸蜡基溴化吡啶鎓、肉豆蔻基氯化吡啶鎓、肉豆蔻基溴化吡啶鎓、十二烷基氯化吡啶鎓、十二烷基溴化吡啶鎓、乙基氯化吡啶鎓、乙基溴化吡啶鎓、十六烷基氯化吡啶鎓、十六烷基溴化吡啶鎓、丁基氯化吡啶鎓、丁基溴化吡啶鎓、甲基己基氯化吡啶鎓、甲基己基溴化吡啶鎓、甲基辛基氯化吡啶鎓、甲基辛基溴化吡啶鎓、二甲基丁基氯化吡啶鎓、和二甲基丁基溴化吡啶鎓。
45.为了获得本文所用的经涂覆的石墨，将石墨、水解和任选的表面活性剂通过在室温下超声处理均匀地分散在溶剂中，随后将二氧化硅前体加入分散体中，二氧化硅前体与石墨之间的重量比为约0.8∶1
‑
4∶1。涂覆反应在室温下进行约4
‑
20小时，并且可以通过过滤和干燥获得所得的经涂覆的石墨。
46.基于本文公开的聚合物组合物的总重量，经涂覆的石墨薄片可以以约3
‑
30重量％或约4
‑
25重量％的水平存在。
47.本文公开的导电聚酯组合物可以进一步包含其他添加剂，如着色剂、抗氧化剂、紫外线稳定剂、紫外线吸收剂、热稳定剂、润滑剂、粘度调节剂、成核剂、增塑剂、脱模剂、划痕和擦伤改性剂、冲击改性剂、乳化剂、光学增白剂、抗静电剂、酸吸附剂、气味吸附剂、抗水解剂、抗细菌剂、密度调节剂、增强填料、导热填料、导电填料、偶联剂、封端剂及其两种或更多种的组合。基于本文公开的导电聚酯组合物的总重量，此类附加添加剂可以以约0.005
‑
30重量％、或约0.01
‑
25重量％、或约0.02
‑
20重量％的水平存在。
48.如本文所证明，通过掺入涂覆有二氧化硅颗粒的石墨薄片，可以获得具有高介电
gf和0.3g鲸蜡基三甲基溴化铵(作为阳离子表面活性剂)；在室温下将分散体用超声混合20分钟；在10分钟内将2ml四乙氧基硅烷滴加到分散体中；在室温下将分散体搅拌约10小时；通过过滤和90℃干燥来提取经涂覆的石墨薄片；
63.·
c
‑
gf
‑8‑
经涂覆的石墨薄片(二氧化硅涂覆颗粒的平均直径：16
±
5nm，c∶si重量比：8∶1)，如下制备：在由80ml乙醇、20ml去离子水和3ml氢氧化铵构成的溶液中加入2g gf和0.3g鲸蜡基三甲基溴化铵(作为阳离子表面活性剂)；在室温下将分散体用超声混合20分钟；将0.5ml四乙氧基硅烷加入到分散体中；在室温下将分散体搅拌约10小时；通过过滤和90℃干燥来提取经涂覆的石墨薄片；
64.·
sio2‑
二氧化硅纳米颗粒，获自连云港沃华新材料科技有限公司(中国)(d90＝200nm)。
65.通过使用扫描电子显微镜(sem)(sigma 500，由蔡司(zeiss)(德国)制造)，随机地选择100个二氧化硅颗粒并对其直径求平均来确定二氧化硅涂覆颗粒的平均直径。通过能量色散光谱仪(x
‑
max80，牛津仪器(oxford instruments)(英国))在20kev下测量c∶si重量比。首先，在经涂覆的石墨薄片上随机选择10个不同的区域，其中从一个经涂覆的薄片中选择的区域不超过两个。然后，测量每个区域中c和si的含量，并且计算c∶si的平均重量比。
66.在比较例ce1
‑
ce8和实例e1
‑
e6的每一个中，使用process 11平行双螺杆挤出机(parallel twin
‑
screw extruder)(由赛默飞世尔科技(thermo fisher scientific)(美国)制造)在设定为约280℃的机筒温度和约150rpm的螺杆速度下制备聚合物组合物(表1中列出的所有组分)。通过使用热压机(型号4386，由卡弗公司(carver，inc.)(美国)制造)将粒料热压成60
×
60
×
2mm的立方体块来制备测试样品，熔体温度设定为290℃。然后使用n5221a pna微波网络分析仪(microwave network analyzer)(由是德科技(keysight technologies)(美国)制造)将60
×
60
×
2mm的立方块用于确定组合物的介电常数和介电损耗。
67.如ce1
‑
ce4所示，添加导电填料(如石墨)改善了聚合物材料的介电常数。但是，这也增加了其介电损耗，并导致“介电常数/介电损耗”之比低于200。然而，通过用某些经二氧化硅涂覆的石墨薄片代替石墨(e1
‑
e6)，得到了具有高介电常数和低介电损耗(“介电常数/介电损耗”之比高于300)的聚合物材料。在此类经二氧化硅涂覆的石墨薄片中，c∶si的重量比范围为约10∶1
‑
4∶1，并且二氧化硅涂覆颗粒具有约80
‑
400nm的平均直径。
68.