一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制备高储能密度电容器的GR‑TiO2‑PVDF纳米复合材料的制备方法，将纳米石墨烯与纳米TiO2弥散共掺入有机聚合物基体PVDF中，制得的GR‑TiO2‑PVDF纳米复合材料的介电常数大大提升。同时，本发明专利技术还公开了一种利用上述制备方法制得的GR‑TiO2‑PVDF纳米复合材料，该材料可用于制备高储能密度电容器，所制得的高储能密度电容器的介电常数提高至37、损耗降低、击穿场强提升至356.0MV/m、储能密度提升至20.5J/m

GR-titanium dioxide-PVDF nanocomposites for preparing high energy storage capacitors and their preparation methods

The invention discloses a preparation method of GR titanium dioxide PVDF nanocomposites for preparing high energy storage density capacitors. The dielectric constant of GR titanium dioxide PVDF nanocomposites prepared by blending nanographene and nano-titanium dioxide dispersion into organic polymer matrix PVDF is greatly improved. At the same time, the invention also discloses a GR TiO2 PVDF nanocomposite prepared by the above-mentioned preparation method, which can be used to prepare high energy storage density capacitors. The dielectric constant of the prepared high energy storage density capacitors is increased to 37, the loss is reduced, the breakdown field strength is increased to 356.0MV/m, and the energy storage density is increased to 20.5J/m.

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料及其制备方法
本专利技术属于电容器应用材料
，具体涉及一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
电容器作为一种十分重要的储能器件，被广泛应用于家电、交通、航空、航天等各个领域。现今，随着电子集成技术的飞速发展，电容器也被要求趋向于集成化、微型化、轻型化和高稳定性的方向。然而，电介质材料作为电容器一个重要的组成部分，它的储能性能很大程度上决定了电容器的性能，提升电介质材料的储能密度，可以很有效的提升电容器储存电荷和均匀电场的能力，并且电容器能更加小型化、轻型化。在日常生活中，更高储能密度的电容器可以在用电低谷期的时候将电能存储起来用在高峰期，实现电能最大化的利用，达到能源可持续发展的目的。这要求电介质材料能有更高的介电常数、更低的介电损耗、以及更高的耐击穿场强。常见的有机高分子聚合物具有抗击穿性能好，介电损耗低，柔性强等特点，但介电常数却相对较低；无机陶瓷材料具有非常高的介电常数，但其脆性大、柔性弱等特点极大地限制了在工业上的应用。PVDF薄膜电容器，其介电常数约为9.5，损耗为0.08，其储能密度约为13J/cm3。通过填充TiO2纳米级陶瓷材料制得的聚合物纳米复合材料；在制成TiO2-PVDF薄膜电容器后，其介电常数提升到了31，是PVDF薄膜电容器的3倍左右，损耗基本上维持不变。TiO2-PVDF薄膜电容器虽较PVDF薄膜电容器在介电常数有较大的提升，但同时也带来了纳米复合材料的击穿场强显著降低至200.0MV/m，稳定性也变低，因而，TiO2-PVDF薄膜电容器的储能密度并没能有效提升。此外，制得的纳米复合薄膜的厚度很大，响应时间长且不利于器件的小型化，限制了其在某些高集成电路上的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料及其制备方法，通过将少量纳米石墨烯与纳米TiO2弥散共掺入有机聚合物基体，制得GR-TiO2-PVDF纳米复合材料，将该材料用于制备高储能密度电容器，所得高储能密度电容器的介电常数提高至37，且损耗降低，同时击穿场强提高和储能密度均得到较大提升，从而有效解决了上述问题和缺陷。本专利技术所采取的技术方案是：一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1.按比例称取纳米TiO2、纳米GR、PVDF和溶剂，其中，纳米TiO2、纳米GR和PVDF作为溶质，DMF作为溶剂，且纳米TiO2、纳米GR和PVDF的质量比为1：399：9600；溶质与溶剂的用量比为1g：(10～30)L；S2.取15～25ml的DMF，搅拌的同时缓慢加入纳米TiO2，密封搅拌5～10min；S3.打开密封盖，搅拌的同时缓慢加入纳米GR，继续搅拌20～60min；S4.超声分散30～60min，继续搅拌10～30min；S5.将PVDF分成等量的两份，分两次缓慢加入步骤S4所得溶液中，两次加入PVDF的间隔时长为2～5min，在30～70℃下磁力搅拌2～4h，使得PVDF充分溶解，得GR-TiO2-PVDF纳米复合材料。作为上述方案的进一步改进，所述纳米TiO2的制备包括以下步骤：1)取柠檬酸，用去离子水溶解，搅拌，同时缓慢滴入钛酸四丁酯；2)搅拌5～30min后进行超声30～60min，再于70～100℃下密封搅拌2～4h；3)打开密封盖，置于120～150℃下进行凝胶后，于170～210℃下干燥30～90min，形成多孔空间结构的凝胶；4)取出步骤3)所得的多孔空间结构的凝胶，置于马弗炉中，在500～700℃下煅烧5～7h，取出，进行第一次研磨，研磨时长为20～40min；5)第二次研磨：加入酒精，置于球磨机中，以4000rad/s～5000rad/s进行球磨，倒出悬浊液并干燥，再进行研磨15～30min，得纳米TiO2。作为上述方案的进一步改进，纳米TiO2制备过程的步骤1)中，所述柠檬酸与所述钛酸四丁酯的摩尔比为1：5。作为上述方案的进一步改进，纳米TiO2制备过程的步骤5)中，第二次研磨过程中的球磨时长为6～8h。一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料，所述GR-TiO2-PVDF纳米复合材料经如上任意项所述制备方法制得。一种GR-TiO2-PVDF纳米复合薄膜的制备方法，包括：用匀胶机在ITO玻璃上旋涂GR-TiO2-PVDF纳米复合材料成膜，将转速调到1200rad/s～2700rad/s、时间设定为25s时甩出厚度可控且为1～10um的薄膜；将薄膜立刻置于烘箱，在90～130℃下结晶1～3h，得GR-TiO2-PVDF纳米复合薄膜。一种GR-TiO2-PVDF纳米复合薄膜的应用，将如上所述的GR-TiO2-PVDF纳米复合薄膜应用在制备高储能密度电容器中：用离子溅射仪镀金作为电容的正电极，完毕后于70～100℃下退火20～40min，制得高储能密度电容器。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术提供了一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料的制备方法，将纳米石墨烯与纳米TiO2弥散共掺入有机聚合物基体PVDF中，其中，加入的纳米TiO2，利用高介电常数陶瓷相的加入以及陶瓷、基体两相间的界面极化，提高纳米复合材料的介电性能；同时，加入的纳米石墨烯，由于其结构特殊，具备高导电率、高比表面积等优异性能，在与纳米TiO2的共同加入聚合物基体PVDF后，纳米石墨烯可在聚合物基体PVDF中均匀分散，并发挥聚集空间电荷形成微电容效应，从而使制得的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料的介电常数大大提升，进而获得柔性更强，储能密度更高，应用范围更广的高储能密度电容器。2.同时，本专利技术还提供了一种利用上述制备方法制得的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料，该材料可用于制备高储能密度电容器，所制得的高储能密度电容器的介电常数提高至37、损耗降低、击穿场强提升至356.0MV/m、储能密度提升至20.5J/m3，其介电性能优异，可以有效地降低耗能，提升节能性能；电介质膜厚度可控，可微型化、轻型化并应用于集成电路；储能密度更高，电能存储能力提升，均匀电场的能力增强。3.本专利技术的制备方法操作简单，效率高，适合大规模生产，制得的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料适合应用在制备高储能密度电容器中。附图说明图1为纳米TiO2的制备流程图；图2为GR-TiO2-PVDF纳米复合材料及利用其制备高储能密度电容器的制备流程图；图3为PVDF、TiO2-PVDF和GR-TiO2-PVDF的相对介电常数；图4为PVDF、TiO2-PVDF和GR-TiO2-PVDF的损耗；图5为PVDF、TiO2-PVDF和GR-TiO2-PVDF的耐击穿场强。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行具体描述，以便于所属
的人员对本专利技术的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本专利技术做进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述
技术实现思路
对本专利技术作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本专利技术的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的，均为市本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备高储能密度电容器的GR‑TiO2‑PVDF纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1.按比例称取纳米TiO2、纳米GR、PVDF和溶剂，其中，纳米TiO2、纳米GR和PVDF作为溶质，DMF作为溶剂，且纳米TiO2、纳米GR和PVDF的质量比为1：399：9600；溶质与溶剂的用量比为1g：(10～30)L；S2.取15～25ml的DMF，搅拌的同时缓慢加入纳米TiO2，密封搅拌5～10min；S3.打开密封盖，搅拌的同时缓慢加入纳米GR，继续搅拌20～60min；S4.超声分散30～60min，继续搅拌10～30min；S5.将PVDF分成等量的两份，分两次缓慢加入步骤S4所得溶液中，两次加入PVDF的间隔时长为2～5min，在30～70℃下磁力搅拌2～4h，使得PVDF充分溶解，得GR‑TiO2‑PVDF纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备高储能密度电容器的GR-TiO2-PVDF纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1.按比例称取纳米TiO2、纳米GR、PVDF和溶剂，其中，纳米TiO2、纳米GR和PVDF作为溶质，DMF作为溶剂，且纳米TiO2、纳米GR和PVDF的质量比为1：399：9600；溶质与溶剂的用量比为1g：(10～30)L；S2.取15～25ml的DMF，搅拌的同时缓慢加入纳米TiO2，密封搅拌5～10min；S3.打开密封盖，搅拌的同时缓慢加入纳米GR，继续搅拌20～60min；S4.超声分散30～60min，继续搅拌10～30min；S5.将PVDF分成等量的两份，分两次缓慢加入步骤S4所得溶液中，两次加入PVDF的间隔时长为2～5min，在30～70℃下磁力搅拌2～4h，使得PVDF充分溶解，得GR-TiO2-PVDF纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米TiO2的制备包括以下步骤：1)取柠檬酸，用去离子水溶解，搅拌，同时缓慢滴入钛酸四丁酯；2)搅拌5～30min后进行超声30～60min，再于70～100℃下密封搅拌2～4h；3)打开密封盖，置于120～150℃下进行凝胶后，于170～210℃下干燥30～90min，形成多孔空间结构的凝胶；4)取出步骤3)所得的...

【专利技术属性】
技术研发人员：许仁俊，陈建文，王修才，朱文博，施淞瀚，吴徐平，叶大贵，林浩勃，陆江南，黄穗龙，朱珍，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44