一种三明治结构全有机介质及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三明治结构全有机介质及其制备方法。三明治结构全有机介质上下层为PVDF致密膜，中间层为P(VDF‑TrFE‑CFE)纤维薄膜，三层结构全有机介质经热压相结合。制备方法如下：利用流延法和静电纺丝技术分别得到PVDF致密膜和P(VDF‑TrFE‑CFE)纤维薄膜，经热压工艺得到三明治结构全有机介质。本发明专利技术显著提高了聚合物材料的介电和储能特性，同时降低了全有机介质的损耗特性，也保持了聚合物基体优异的电绝缘与机械特性，且制作工艺简单，易于操作。

【技术实现步骤摘要】
一种三明治结构全有机介质及其制备方法
本专利技术属于全有机介质领域，具体涉及一种三明治结构全有机介质及其制备方法。
技术介绍
全有机介质具有兼容性好、韧性好、工艺方便、成本低等优点，在储能领域内具有广阔的应用前景。聚合物体系内聚偏氟乙烯(化学名称为PVDF)和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯二氟乙烯)(化学名称为P(VDF-TrFE-CFE))因具有优异性能，如较高的介电和击穿特性，良好的化学稳定性和可加工特性等而被广泛应用。但传统纯聚合物介质材料面临的主要问题是介电常数小，极化强度低，这在一定程度上限制了其储存电能的能力，造成介质储能密度较低的问题。而通过将高介电常数陶瓷填料加入到聚合物的方法来提高极化强度，却会增大材料的介质损耗、降低其击穿电场。因此，如何克服介质储能密度较低、损耗较高的不足，提供一种既具有较高储能密度又具有较低介质损耗的介质已经成为介质领域急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决介质储能密度较低、损耗较高的技术问题，提供了一种三明治结构全有机介质及其制备方法。本专利技术三明治结构全有机介质的上下层为PVDF致密膜，中间层为P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜,三层结构全有机介质经热压相结合。所述PVDF致密膜的厚度为5-15μm，所述P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜的厚度为5-30μm。本专利技术一种三明治结构全有机介质的制备方法步骤如下：一、将PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)按比例分别溶解在DMF溶剂中，在一定温度下搅拌制得胶体状态的PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)；二、将步骤一制得的PVDF胶体置于真空箱内，室温下抽真空后静置一定时间，将适量的PVDF胶体缓慢倾倒至干净玻璃基板上，利用流延法将胶体刮涂到玻璃基板上，将带有PVDF胶体的玻璃基板置于真空烘箱内，抽真空后烘干，然后将温度升高并保温一定时间，迅速取出带有PVDF胶体的玻璃基板放置在冰水中，进行淬火处理，制得PVDF致密膜；三、将步骤一制得的P(VDF-TrFE-CFE)胶体排除气泡，用注射器抽取P(VDF-TrFE-CFE)胶体，选取型号为23G金属针头进行纺丝，纺丝结束后，将制得的P(VDF-TrFE-CFE)纤维放置在真空烘箱内进行热处理，制得P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜；四、以步骤二制得的PVDF致密膜为三明治结构全有机介质的上下层，以步骤三制得的P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜为中间层，将三层介质放置在模板中，利用热压工艺热压成型，制得P/PTCF/P三明治结构全有机介质。步骤一所述PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)与DMF的比例均为1g:(8-15)mL。步骤一所述搅拌温度为40-60℃，搅拌时间为12-24h。步骤二所述PVDF胶体在室温下抽真空后静置时间为12h。步骤二所述将带有PVDF胶体的玻璃基板置于真空烘箱内，抽真空后在60-80℃下烘干5-10h后，将温度升至180-210℃保温5-10min，迅速取出带有PVDF胶体的玻璃基板放置在冰水中，进行淬火处理。步骤三所述纺丝过程中注射器的推进速度为0.1-0.5mm/min，接收滚筒的转速为80-120r/min，注射器喷头到接收滚筒的距离为5-25cm，针头和滚筒同时施加的正负电压为V+＝3-15kV，V-＝3-15kV。步骤三所述热处理的温度是60℃，热处理时间是10h。步骤四所述热压工艺是利用平板硫化机将三层介质热压成型，其中热压温度为120-160℃，在15MPa下，热压1-10min，并通过水冷迅速将三明治结构全有机介质的温度降至室温。本专利技术提供的一种三明治结构全有机介质，其中间层为具有高介电常数(εr～56)的P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜，上下层是经淬火处理含弱极性γ相的PVDF致密膜，利用热压工艺制备而成。由于中间层的P(VDF-TrFE-CFE)具有较高的介电常数和击穿强度，可以提升全有机介质整体的介电常数和击穿场强；并且由于P(VDF-TrFE-CFE)与PVDF相容性较高，而且当其是纤维膜状态时，具有大长径比的纤维结构会抑制或阻碍电树枝的延伸，进一步提升介质的击穿强度；另外由于PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)的介电差异性较大，当介质呈现三层结构时，外部电场会在介质内部重新分布，降低了每层膜介质所承担的场强大小，降低了全有机介质的击穿概率。本专利技术三明治结构全有机介质可以显著提升聚合物材料的介电常数和击穿场强，提高储能特性，同时具有较低的损耗，维持了聚合物优异的电绝缘与机械特性。本专利技术提供的三明治结构全有机介质的制备方法工艺简单，所需设备价格低廉，降低了全有机介质的生产成本，适用于规模化生产。附图说明图1实施例1、实验一和实验二制得的三明治结构全有机介质的X射线衍射图谱，图1中(a1)是P/PTC/P三明治结构全有机介质的X射线衍射图谱，图1中(a2)是(a1)局部放大图，图1中(b1)是P/PTCF/P三明治结构全有机介质的X射线衍射图谱，图1中(b2)是(b1)局部放大图。图2实施例1制得的P/PTCF/P三明治结构全有机介质的断面扫描电镜图。图3实验二制得的P/PTC/P三明治结构全有机介质的断面扫描电镜图。图4实施例1、实验一和实验二制得的三明治结构全有机介质的介电常数与频率的关系图。图5实施例1、实验一和实验二制得的三明治结构全有机介质的电导率、损耗与频率的关系图。图6实施例1、实验一和实验二制得的三明治结构全有机介质的威布尔分布图。图7实施例1、实验一和实验二制得的三明治结构全有机介质的电位移强度和储能特性图谱，图7中(a)是P/PTC/P三明治结构全有机介质的D-E电滞回线，图7中(b)是P/PTCF/P三明治结构全有机介质的D-E电滞回线，图7中(c)是P/PTC/P三明治结构全有机介质的储能特性与电场的关系图，图7中(d)是P/PTCF/P三明治结构全有机介质的储能特性与电场的关系图。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式一种三明治结构全有机介质及其制备方法：本专利技术一种三明治结构全有机介质的三明治结构上下层为PVDF致密膜，中间层为P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜,三层结构全有机介质经热压相结合。三明治结构全有机介质的PVDF致密膜的厚度为5-15μm，P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜的厚度为5-30μm。一种三明治结构全有机介质的制备方法步骤如下：一、将PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)按比例分别溶解在DMF溶剂中，在一定温度下搅拌制得胶体状态的PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)；二、将步骤一制得的PVDF胶体置于真空箱内，室温下抽真空后静置一定时间，将适量的PVDF胶体缓慢倾倒至干净玻璃基板上，利用流延法将胶体刮涂到玻璃基板上，将带有PVDF胶体的玻璃基板置于真空烘箱内，抽真空后烘干，然后将温度升高并保温一定时间，迅速取出带有PVDF胶体的玻璃基板放置在冰水中，进行淬火处理，制得PVDF致密膜；三、将步骤一制得的P(VDF-TrFE-CFE)胶体排除气泡，用注射器抽取P(VDF-TrFE-CFE)胶体，选取型号为23G金属针头进行纺丝，纺丝结束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三明治结构全有机介质，其特征在于：三明治结构上下层为PVDF致密膜，中间层为P(VDF‑TrFE‑CFE)纤维薄膜,三层结构全有机介质经热压相结合。

【技术特征摘要】
1.一种三明治结构全有机介质，其特征在于：三明治结构上下层为PVDF致密膜，中间层为P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜,三层结构全有机介质经热压相结合。2.根据权利要求1所述的一种三明治结构全有机介质，其特征在于：所述PVDF致密膜的厚度为5-15μm，所述P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜的厚度为5-30μm。3.根据权利要求1或2所述的一种三明治结构全有机介质的制备方法，其特征在于该方法步骤如下：一、将PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)按比例分别溶解在DMF溶剂中，在一定温度下搅拌制得胶体状态的PVDF和P(VDF-TrFE-CFE)；二、将步骤一制得的PVDF胶体置于真空箱内，室温下抽真空后静置一定时间，将适量的PVDF胶体缓慢倾倒至干净玻璃基板上，利用流延法将胶体刮涂到玻璃基板上，将带有PVDF胶体的玻璃基板置于真空烘箱内，抽真空后烘干，然后将温度升高并保温一定时间，迅速取出带有PVDF胶体的玻璃基板放置在冰水中，进行淬火处理，制得PVDF致密膜；三、将步骤一制得的P(VDF-TrFE-CFE)胶体排除气泡，用注射器抽取P(VDF-TrFE-CFE)胶体，选取型号为23G金属针头进行纺丝，纺丝结束后，将制得的P(VDF-TrFE-CFE)纤维放置在真空烘箱内进行热处理，制得P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜；四、以步骤二制得的PVDF致密膜为三明治结构全有机介质的上下层，以步骤三制得的P(VDF-TrFE-CFE)纤维薄膜为中间层，将三层介质放置在模板中，利用热压工艺热压成型，制得P/PTCF/P三明治结构全...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟庆国，张月，张昌海，崔洋，王暄，雷清泉，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23