專利名稱：一種聚四氟乙烯基板及其制備方法
一種聚四氟乙烯基板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種聚四氟乙烯基板及其制備方法。
背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。超材料的基本結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)組成，陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，能對電場或磁場產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過對人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)可以控制超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，從而使超材料呈現(xiàn)出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發(fā)散和偏折電磁波等。現(xiàn)有的超材料人造微結(jié)構(gòu)一般為金屬材料,而介質(zhì)基板一般采用有機(jī)樹脂基板，有機(jī)樹脂基板材料的介電常數(shù)一般為3-5之間，而對于超材料的某些應(yīng)用而言，往往需要更低介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基板，在滿足各種機(jī)械性能的同時(shí)，很難尋找到合適的材料。而聚四氟乙烯是一種超高分子量的聚合物，其分子結(jié)構(gòu)為四個(gè)完全對稱的取向氟原子中心連接一個(gè)碳原子，極性低，介電性能好(介電常數(shù)最低可達(dá)到2.1)，耐高溫。聚四氟乙烯雖然具有優(yōu)良的電氣性能(低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗因子、在較高的溫度和頻率范圍內(nèi)非常穩(wěn)定)，耐化學(xué)腐蝕，耐熱，使用溫度范圍廣，吸水性低。但聚四氟乙烯是強(qiáng)非極性，與銅箔和增強(qiáng)玻璃布粘結(jié)性差，主要是因?yàn)镃-C主鏈被體積大且電負(fù)性大的氟原子所包圍，空間阻礙抑制了主鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使碳鏈硬而帶剛性。在熱壓過程中，聚四氟乙烯大分子很難流動(dòng)浸入到玻璃纖維束內(nèi)，對玻璃纖維的潤濕性差，加工成型比較困難。為了克服PTFE的這些缺點(diǎn)，提高其綜合性能，多年來，人們一直致力于PTFE的改性研究。嘗試用不同的填料和增強(qiáng)纖維來改善其機(jī)械力學(xué)性能，提高它的硬度，降低線膨脹系數(shù)，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。用于PTFE的填料必須能耐高溫，以便在燒結(jié)時(shí)不改變性能，并能與PTFE均勻的混合。用的增強(qiáng)纖維有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和晶須等，填料有石墨、三氧化二鋁、二氧化硅、氮化硅、陶瓷粉等。但這些填料大都介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子大，制成的介電材料介電性能降低很多。硅石氣凝膠的主要成分是SiO2,是通過溶膠凝膠方法將有機(jī)或無機(jī)硅源制備成濕凝膠，然后用氣體取代凝膠中的液體，通過干燥控制添加劑及干燥工藝的控制，保持其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本不變，從而得到納米多孔的硅石氣凝膠材料。硅石氣凝膠內(nèi)含大量空氣，其孔隙率可達(dá)80% 99%，其微孔尺寸范圍為1 lOOnm。其納米多孔結(jié)構(gòu)使其具備許多優(yōu)良的電氣性能，如在3-40GHZ范圍內(nèi)，通過控制其孔隙度可將其介電常數(shù)控制在1.008-2.27范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)僅為普通SiO2的1/5，密度為5-200kg/m3，可耐壓力超過28MPa，電阻率為為SiO2的1000倍。SiO2氣凝膠的介電常數(shù)很低(1-2)，熱穩(wěn)定好，還具有絕緣、輕質(zhì)、無毒、阻燃、廉價(jià)等性能。在低介電常數(shù)無鉛超材料基板材料中有很好的應(yīng)用前景。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種聚四氟乙烯基板及其制備方法，采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了在低介電常數(shù)范圍內(nèi)介電常數(shù)可控。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種聚四氟乙烯基板的制備方法，所述的方法包括以下步驟:a、預(yù)制二氧 化硅氣凝膠:將溶劑、干燥控制添加劑分別加入到硅源中，加入催化劑
調(diào)節(jié)PH值，靜置、老化獲得凝膠，然后用置換劑對凝膠進(jìn)行處理，干燥、研磨得到二氧化硅氣凝膠粉末；b、將二氧化硅氣凝膠粉末加入到聚四氟乙烯乳液充分混合形成混合乳液，其中，聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的重量比為50% -60%，二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比為30% -70% ；C、將增強(qiáng)材料浸潰在混合乳液中，取出干燥、煅燒；d、重復(fù)步驟C，控制浸潰增強(qiáng)材料中混合乳液中的固含量大于50%，制得熱塑性薄片。該步驟還包括e、將熱塑性薄片與銅箔壓合，獲得聚四氟乙烯基板。所述步驟a中硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、酸性或堿性硅溶膠或水玻璃。所述步驟a中溶劑為去離子水和無水乙醇。所述步驟a中干燥控制添加劑為甲酰胺和乙二醇。所述步驟a中還添加有性能添加劑，所述的性能添加劑為二氧化鈦粉體或玻璃纖維。所述步驟a中催化劑為鹽酸或醋酸調(diào)節(jié)的pH值為10-13。所述步驟a中催化劑為氨水調(diào)節(jié)的pH值為3-5。所述步驟a中置換劑為乙醇或丙酮。所述步驟a中還包括用表面修飾劑對凝膠進(jìn)行疏水處理，所述的表面修飾劑為硅烷類表面修飾劑。所述的增強(qiáng)材料為玻璃纖維布、紙基電子布、陶瓷基電子布或金屬基電子布。一種聚四氟乙烯基板，其特征在于:包括以上任意一項(xiàng)所述的方法制備的基板。本發(fā)明的有益效果是:采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)；還可以通過制備介電常數(shù)適當(dāng)?shù)亩趸铓饽z和控制所占體積比，精確制得所需介電常數(shù)的聚四氟乙烯基板；對聚四氟乙烯進(jìn)行改性處理，降低了聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)，提高了與銅箔和玻璃纖維布的粘結(jié)性。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。一種聚四氟乙烯基板的制備方法，所述的方法包括以下步驟:a、預(yù)制二氧化硅氣凝膠:將去離子水和無水乙醇溶劑、甲酰胺和乙二醇干燥控制添加劑、二氧化鈦粉體或玻璃纖維性能添加劑分別加入到硅源中，加入鹽酸或醋酸或氨水催化劑調(diào)節(jié)PH值，靜置、老化獲得凝膠，然后用乙醇或丙酮置換劑、硅烷類表面修飾劑如三甲基氯硅烷對凝膠進(jìn)行處理，干燥、研磨得到二氧化硅氣凝膠粉末；其中，所述的硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、酸性或堿性硅溶膠或水玻璃等，催化劑為酸時(shí)PH值為10-13，催化劑為堿時(shí)pH值為3-5 ；b、將二氧化硅氣凝膠粉末加入到聚四氟乙烯乳液充分混合形成混合乳液，其中，聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的重量比為50% -60%，二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比為30% -70% ；C、將增強(qiáng)材料浸潰在混合乳液中，取出，在不同溫度下多次干燥、煅燒；其中增強(qiáng)材料為玻璃纖維布、紙基電子布、陶瓷基電子布或金屬基電子布；d、重復(fù)步驟C，控制浸潰增強(qiáng)材料中混合乳液中的固含量大于50%，制得熱塑性薄片；e、將熱塑性薄片與銅箔壓合，獲得聚四氟乙烯基板。制備二氧化硅氣凝膠:將正硅酸甲酯:去離子水:無水乙醇:HCl按1: 3.5: 8: 8.4X 10_4的摩爾比混合得到混合溶液，為提高二氧化硅氣凝膠的機(jī)械性能，加入適量的二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為性能添加劑，為提高氣孔率，還可加入甲酰胺或乙二醇作為干燥控制劑，60°C恒溫水浴保溫2小時(shí)，滴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的氨水，調(diào)節(jié)pH值至3.0-3.5，凝膠前注入聚四氟乙烯模具中，凝膠6小時(shí)后脫模；濕凝膠樣品在丙酮中老化5天，期間采用丙酮置換劑進(jìn)行溶劑置換三次，去除凝膠內(nèi)的水，然后用三甲基氯硅烷表面修飾劑對凝膠進(jìn)行疏水處理，再進(jìn)行二氧化碳超臨界干燥，去除丙酮，研磨得到二氧化硅氣凝膠粉末；用同樣的方法但硅源的量加入不同或進(jìn)行熱處理的溫度不同可以得到不同介電常數(shù)的二氧化硅氣凝膠。實(shí)施例一:a、將制備得到的介電常數(shù)為1.29的二氧化硅氣凝膠粉末加入到聚四氟乙烯乳液充分混合形成混合乳液，其中，聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的重量比為50%，二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比為30% ；b、將玻璃纖維布浸潰在混合乳液中，取出，在溫度為600C >80°C、100°C分別干燥25min、15min、10min，在溫度為 250°C、350°C分別煅燒 10min、15min ；C、重復(fù)步驟C，控制浸潰玻璃纖維布中混合乳液中的固含量為55%，制得熱塑性薄片；d、在溫度為350°C、壓強(qiáng)為SOatm下，將熱塑性薄片與銅箔壓合，獲得聚四氟乙烯基板。將制得的聚四氟乙烯基板進(jìn)行介電常數(shù)測定，其介電常數(shù)為1.85 ；實(shí)施例二:
實(shí)施例二相對于實(shí)施例一的不同點(diǎn)在于:制備的二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)為
1.48，并且二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比為70%，測得聚四氟乙烯基板的介電常數(shù)為1.66。實(shí)施例三:實(shí)施例三選取制備的二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)為1.98，并且二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比為50%，測得聚四氟乙烯基板的介電常數(shù)為2.04。應(yīng)當(dāng)理解，也可以制備介電常數(shù)更小的二氧化硅氣凝膠，如1.008，當(dāng)二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)越小，并且二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比越大時(shí)，所制得的聚四氟乙烯基板的介電常數(shù)就越小。通過這種制備方法，制備介電常數(shù)適當(dāng)?shù)亩趸铓饽z和控制所占體積比，就可以精確制得所需介電常數(shù)的聚四氟乙烯基板；由于采用介電常數(shù)比較低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)；二氧化硅氣凝膠作為填料，對聚四氟乙烯進(jìn)行改性處理，還降低了聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)，提高了與銅箔和玻璃纖維布的粘結(jié)性。在上述實(shí)施例中，僅對本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述的方法包括以下步驟: a、預(yù)制二氧化硅氣凝膠:將溶劑、干燥控制添加劑分別加入到硅源中，加入催化劑調(diào)節(jié)PH值，靜置、老化獲得凝膠，然后用置換劑對凝膠進(jìn)行處理，干燥、研磨得到二氧化硅氣凝膠粉末； b、將二氧化硅氣凝膠粉末加入到聚四氟乙烯乳液充分混合形成混合乳液，其中，聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的重量比為50% -60%，二氧化硅氣凝膠相對于聚四氟乙烯的體積比為30% -70% ； c、將增強(qiáng)材料浸潰在混合乳液中，取出干燥、煅燒； d、重復(fù)步驟c，控制浸潰增強(qiáng)材料中混合乳液中的固含量大于50%，制得熱塑性薄片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:該步驟還包括e、將熱塑性薄片與銅箔壓合，獲得聚四氟乙烯基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、酸性或堿性硅溶膠或水玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中溶劑為去離子水和無水乙醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中干燥控制添加劑為甲酰胺和乙二醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中還添加有性能添加劑，所述的性能添加劑為二氧化鈦粉體或玻璃纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中催化劑為鹽酸或醋酸調(diào)節(jié)的pH值為10-13。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中催化劑為氨水調(diào)節(jié)的PH值為3-5。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中置換劑為乙醇或丙酮。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述步驟a中還包括用表面修飾劑對凝膠進(jìn)行疏水處理，所述的表面修飾劑為硅烷類表面修飾劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚四氟乙烯基板的制備方法，其特征在于:所述的增強(qiáng)材料為玻璃纖維布、紙基電子布、陶瓷基電子布或金屬基電子布。
12.一種聚四氟乙烯基板，其特征在于:包括權(quán)利要求1-11任意一項(xiàng)所述的方法制備的基板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種聚四氟乙烯基板及其制備方法，由于采用介電常數(shù)更低的二氧化硅氣凝膠為填料，大大降低了基板的介電常數(shù)；還可以通過制備介電常數(shù)適當(dāng)?shù)亩趸铓饽z和控制所占體積比，精確制得所需介電常數(shù)的聚四氟乙烯基板；對聚四氟乙烯進(jìn)行改性處理，還降低了聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)，提高了與銅箔和玻璃纖維布的粘結(jié)性。
文檔編號B32B17/04GK103085385SQ201110333
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 繆錫根, 李雪 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司