一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质及其制备方法技术

一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质及其制备方法，按质量百分比包括50-60％的聚偏二氟乙烯树脂和40-50％的表面改性的复合结构锌粒子；将原料分别经过氧化、粉末混合、冷压、热压等过程制备而成。本发明专利技术利用了复合锌粒子与聚合物之间的多重界面极化模式，通过改变ZnO厚度有效调控体系介电常数、损耗及电导率的变化来改善聚合物电介质的介电常数，并降低介电损耗。较低复合粒子用量使得复合电介质具有较高力学强度和韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电工材料和化工产品的交叉制造领域，具体涉及一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质及其制备方法。
技术介绍
低成本、易加工、轻质和良好力学性能的高介电常数聚合物电介质综合了传统电介质材料的许多性能及聚合物的优良韧性、低成本、易加工成型等特点，引起了世界内的广泛关注和研究。高介电常数聚合物电介质在制备内嵌式多层薄膜电容器及高储能电容器等方面已经得到广泛应用；此外，它们在微电子、电气工程、微机电和生物工程等领域也获得重要应用，其研究是一个非常活跃领域，已取得很大进展。 目前，由导体、铁电陶瓷粒子和聚合物复合制备的高介电常数、低介电损耗聚合物复合电介质在工程应用中存在着如下弊端和问题： 1)在导体粒子逾渗值用量附近处的聚合物介电性能不稳定，且高介电常数常伴随较高介电损耗。 迄今，对基于渗流理论的高介电常数的导体/聚合物电介质的研究和开发已经做了大量工作，值得指出的是，有一个难以解决的关键问题一直困扰着人们，即介电性能的重现性(稳定性)问题。具体表现在这类复合材料的介电性能对其影响因素(尤其是导体的相关参量)非常敏感，如填料用量在逾渗阀值附近的微量变化会引起体系电导率的急剧变化，这给其生产控制以及材料性能的稳定性等带来了极大困难和挑战。 此外，在导体填料渗流阈值附近，导体/聚合物电介质的介电常数<br>达最高时，其介电损耗往往也特别大，这无疑会降低其击穿电压和使用性能。 2)在高填料粒子用量(≥70wt％)时铁电陶瓷粒子/聚合物电介质往往才获得高介电常数，这会严重降低电介质材料力学强度和韧性，同时还带来高介电损耗。 由于力学强度和冲击韧性的丧失，使得在实际工程应用时高介电常数聚合物电介质无法应用，加之损耗高，会降低聚合物的击穿电压。 众多研究表明单纯依靠金属和碳材料等导体粒子或铁电粒子无法获得具有稳定的介电常数及低损耗聚合物电介质材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质及其制备方法，制备的电介质具有较高力学强度和韧性、稳定高介电常数和低损耗。 为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案： 一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，按质量百分比包括50-60％的聚偏二氟乙烯树脂和40-50％的表面改性的复合结构锌粒子；其中，表面改性的复合结构锌粒子通过以下方法制得： 1)将球形金属锌粉在400-500℃下空气中进行氧化后，得到复合结构锌粒子； 2)将复合结构锌粒子均匀分散在无水乙醇中，得到复合锌粒子/乙醇混合溶液；将钛酸酯偶联剂加入到无水乙醇中，搅拌使钛酸酯偶联剂溶解得到偶联剂溶液，搅拌下将偶联剂溶液加入到复合锌粒子/乙醇混合溶液中，在80-90℃冷凝回流下持续搅拌6-8h后进行过滤，得到滤饼，将滤饼烘干得到表面改性的复合结构锌粒子；其中，偶联剂溶液中钛酸酯偶联剂为复合结构锌粒子质量的1.2-1.5％。 所述复合结构锌粒子的粒径为6-8μm。 所述氧化的时间为2-3h。 所述均匀分散具体是在超声作用下并进行机械搅拌实现的。 所述烘干的温度为100-120℃，烘干的时间为8-10h。 一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质的制备方法，包括以下步骤： 1)复合结构锌粒子的制备：将球形金属锌粉在400-500℃下在空气中进行氧化后，得到复合结构锌粒子； 2)复合结构锌粒子的表面改性：将复合结构锌粒子均匀分散在无水乙醇中，得到复合锌粒子/乙醇混合溶液；将钛酸酯偶联剂加入到无水乙醇中，搅拌使钛酸酯偶联剂溶解得到偶联剂溶液，搅拌下将偶联剂溶液加入到复合锌粒子/乙醇混合溶液中，在80-90℃冷凝回流下持续搅拌6-8h后进行过滤，得到滤饼，将滤饼烘干得到表面改性的复合结构锌粒子； 3)复合结构锌粒子/PVDF聚合物电介质的制备：按质量比(50-60):(40-50)将PVDF和表面改性的复合结构锌粒子混合均匀，得到混合粉末，将混合粉末冷压成型后再于180-200℃、12-16MPa下热压10-15分钟，得到核/壳结构锌粒子/PVDF电介质。 所述步骤1)中复合结构锌粒子的粒径为6-8μm。 所述步骤1)中氧化的时间为2-3h。 所述步骤2)中均匀分散具体是在超声作用下并进行机械搅拌；钛酸酯偶联剂的型号为NDZ-201、NDZ-101、NDZ-102或A27。 所述步骤2)中烘干的温度为100-120℃，烘干的时间为8-10h。 与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术利用了复合锌粒子与聚合物之间的多重界面极化模式，通过改变ZnO厚度有效调控体系介电常数、损耗及电导率的变化来改善聚合物电介质的介电常数，并降低介电损耗。较低复合粒子用量使得复合电介质具有较高力学强度和韧性。 本专利技术采用粉末混合、冷压、热压法快速制备聚合物电介质，相对传统的溶液法，制备工艺绿色环保、无溶剂污染、相对简便，易于实现工业化生产；并且制备工艺相对简便，加工性能良好。 和复合Al粒子体系的相比，本专利技术制备的复合ZnO/Zn/聚合物体系因为利用了核壳锌粒子的多重极化特点，故体系具有如下明显优势：1)更高介电常数和良好力学强度和韧性。在较低填料用量下ZnO/Zn/聚合物体系具有更高介电常数；ZnO/Zn质量分数为40％时聚偏氟二乙烯介电常数接近100，而Al/聚合物的介电常数在质量分数为40％时为30，Al用量达70％时体系介电常数才达50。随着填料用量增加，必然导致聚合物体系的力学性能恶化；2)外层晶体ZnO热导率(50W/m K)远高于非晶体Al2O3壳体(2-8W/m K)的热导率，所以整个体系热导率高于复合Al粒子体系。 本专利技术制备的聚合物电介质主要由原料聚偏氟二乙烯树脂粉末和具有核/壳结构的复合锌粒子经过烘干、粉末混合、冷压、热压等过程制备而成，是一种基于多重界面极化模式的具备良好力学强度和冲击韧性的高介电常数、低损耗聚合物电介质材料，可用于制备嵌入式无耦合电容器、片式有机多层薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，其特征在于，按质量百分比包括50‑60％的聚偏二氟乙烯树脂和40‑50％的表面改性的复合结构锌粒子；其中，表面改性的复合结构锌粒子通过以下方法制得：1)将球形金属锌粉在400‑500℃下空气中进行氧化后，得到复合结构锌粒子；2)将复合结构锌粒子均匀分散在无水乙醇中，得到复合锌粒子/乙醇混合溶液；将钛酸酯偶联剂加入到无水乙醇中，搅拌使钛酸酯偶联剂溶解得到偶联剂溶液，搅拌下将偶联剂溶液加入到复合锌粒子/乙醇混合溶液中，在80‑90℃冷凝回流下持续搅拌6‑8h后进行过滤，得到滤饼，将滤饼烘干得到表面改性的复合结构锌粒子；其中，偶联剂溶液中钛酸酯偶联剂为复合结构锌粒子质量的1.2‑1.5％。

【技术特征摘要】
1.一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，其特征在于，按质量百
分比包括50-60％的聚偏二氟乙烯树脂和40-50％的表面改性的复合
结构锌粒子；其中，表面改性的复合结构锌粒子通过以下方法制得：
1)将球形金属锌粉在400-500℃下空气中进行氧化后，得到复
合结构锌粒子；
2)将复合结构锌粒子均匀分散在无水乙醇中，得到复合锌粒子
/乙醇混合溶液；将钛酸酯偶联剂加入到无水乙醇中，搅拌使钛酸酯
偶联剂溶解得到偶联剂溶液，搅拌下将偶联剂溶液加入到复合锌粒
子/乙醇混合溶液中，在80-90℃冷凝回流下持续搅拌6-8h后进行过
滤，得到滤饼，将滤饼烘干得到表面改性的复合结构锌粒子；其中，
偶联剂溶液中钛酸酯偶联剂为复合结构锌粒子质量的1.2-1.5％。
2.根据权利要求1所述的一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，
其特征在于，所述复合结构锌粒子的粒径为6-8μm。
3.根据权利要求1所述的一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，
其特征在于，所述氧化的时间为2-3h。
4.根据权利要求1所述的一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，
其特征在于，所述均匀分散具体是在超声作用下并进行机械搅拌实
现的。
5.根据权利要求1所述的一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质，
其特征在于，所述烘干的温度为100-120℃，烘干的时间为8-10h。
6.一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
1)复合结构锌粒子的制备：将球形金属锌粉在400-500℃下空气
中进...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文英，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61