一种交替多层结构的复合电介质材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种交替多层结构的复合电介质材料，属于电介质高分子材料技术领域，所述复合电介质材料由聚合物层与复合层交替层叠而成；将无机粒子与接枝活性基团的聚合物进行熔融共混形成核壳包覆结构的复合材料，并利用该复合材料与聚合物进行熔融挤出得到三元复合材料，最后通过三元复合材料与聚合物经过微纳共挤制备了具有交替多层结构的复合电介质材料，并利用该材料制备了复合材料薄膜，本发明专利技术的复合材料介电常数高，可以达到20以上；抗电强度高，可以达到500V/μm以上；储能密度高，50Hz频率下，储能密度最高可达为9.34J/cm

【技术实现步骤摘要】
一种交替多层结构的复合电介质材料及其制备方法
本专利技术涉及复合电介质材料
，尤其涉及一种交替多层结构的复合电介质材料及其制备方法。
技术介绍
聚合物电介质材料由于高抗电强度、低损耗、高储能密度等优点而得到了广泛的应用。随着电力电子技术的不断发展，对各种大功率设备的需求日益增加，电力电子薄膜电容器具有高电压、高储能密度、超高脉冲功率、快速充放电、性能稳定等优点，电力电容器作为储能单元的应用日益广泛，包括大功率变频器、干线铁路机车车辆交流传动系统、城市轨道交通机车车辆外及其他军用领域。但电子工业的发展，尤其是高储能电力工业向微型化发展，对电介质材料的低损耗和高储能密度提出了更高的要求，但是由于目前商用PP、PET介电常数均小于3，从而导致其储能密度较低，难以满足电力电子行业对产品的高储能密度的需求。同时，无机陶瓷粒子具有高介电常数、低抗电强度的特点，因此，通过将无机粒子与聚合物基体优点结合起来研制复合材料，实现两者的优势互补。目前，复合电介质材料的制备主要是采用熔融共混和溶液共混的方法，将高介电常数的无机粒子分散在聚合物基体中。如“PZT/PVDF体系压电复合材料的介电和压电性能研究”文章中采用PVDF与钛酸钡熔融共混制备高介电常数的复合材料，但由于无机粒子难以均匀分布于PVDF基体中，无机粒子容易在材料基体中形成团聚，从而导致材料的加工性能不佳，所得到的材料不能加工为薄膜材料，实用性较差。又比如，“一种多层结构的聚合物基电介质材料及其制备方法，200910083691.5”专利中采用溶液共混法通过涂覆工艺得到三层结构的复合材料，但该专利中由于为解决无机粒子在聚合物基体中的团聚问题，无机粒子难以均匀稳定地分散于聚合物基体中，仅能通过热压法获得90-150μm厚度的样品，而不能通过拉伸法获得2-10μm厚度商用的电介质薄膜材料，因此，难以实际应用于产品。目前所报道的复合电介质材料，多采用溶液法或熔融共混的法制备，难以解决无机纳米粒子在聚合物基体中容易发生团聚的问题，从而导致电介质复合材料的抗电强度较低。“一种高储能密度聚丙烯-马来酸酐介质聚丙烯-纳米氧化锆复合材料及其制备方法，201711382194.6”中氧化锆添加量为5％复合电介质材料的击穿场强仅400V/μm，从而导致储能密度较低，同时该专利中只能通过热压的方法获得薄膜实验样品。因此，如何同时解决现有技术中的电介质复合材料的介电常数低、薄膜厚度大、储能密度低的问题，是本领域一直以来试图解决而未能解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一，就在于提供一种交替多层结构的复合电介质材料，以解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种交替多层结构的复合电介质材料，所述复合电介质材料由聚合物层与复合层交替层叠而成；其中，所述复合层由聚合物、改性聚合物和无机粒子组成，所述改性聚合物占所述复合层的体积百分含量为1-50％，所述无机粒子占所述复合层的体积百分含量为0.1-25％。作为优选的技术方案：所述复合电介质材料的层数为2-512层，更优选的层数为32-128层。作为优选的技术方案，所述聚合物选自偏二氟乙烯PVDF、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET中的一种，优选为偏二氟乙烯或聚丙烯。作为优选的技术方案，所述改性聚合物为聚合物基体分子端或支链接枝活性化学基团的高分子材料。作为进一步优选的技术方案，所述活性化学基团为所述的活性化学基团为马来酸酐MAH、甲基丙烯酸MMA、羟基OH、羧酸COOH、醛基CHO、氨基NH2、异氰酸酯NC中的至少一种，优选为马来酸酐或甲基丙烯酸基，接枝率为1-10％。作为进一步优选的技术方案，所述接枝活性化学基团聚合物的接枝率为1-5％。作为优选的技术方案，所述无机粒子为采用硅氧烷偶联剂进行改性的改性无机粒子；所述硅氧烷偶联剂选自甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯(KH570)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(G570)、3-(2.3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷(IPTS)中的一种，优选为KH570。作为优选的技术方案，所述无机粒子选自钛酸钡BaTiO3、钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3、钛酸锶SrTiO3、氧化锆ZrO2、氧化硅SiO2、氧化镁MgO2、氧化铝Al2O3，优选为氧化锆和钛酸钡，无机粒子粒径为10-150nm，优选为10-80nm。本专利技术的目的之二，在于提供一种上述的交替多层结构的复合电介质材料的制备方法，采用的技术方案，包括以下步骤：1)将无机粒子与无水乙醇或者甲醇按照体积比1：1-1：5混合后，超声分散，加入与无机粒子等质量的硅氧烷偶联剂进行表面改性处理，超声使无机粒子表面活化，得到的悬浊液经过反复过滤-洗涤-过滤，干燥后得到改性无机粒子；2)将步骤1)所得的改性无机粒子与改性聚合物高分子按照体积比例1:200-1：1混合后，在35-45r/min，175-185℃的条件下熔融共混挤出，粉碎得到复合材料母粒；3)将步骤2)中制备的母粒与聚合物机械按照体积比例1:100-1：1混合，在35-45r/min，175-185℃的条件下熔融共混挤出得到三元复合材料，即复合层；4)将聚合物与步骤3)制得的三元复合材料分别加入微纳共挤装置入料口A与B，改变装置中的层数倍增器的设置，通过微纳共挤技术制备出不同层厚比、不同层数的交替多层结构的复合电介质复合材料半成品；层厚比为3：1-1：3，优选为2:1-1:2；5)将所得的膜片，采用双向拉伸得到具有交替多层结构的复合电介质薄膜材料；拉伸温度为140-180℃，拉伸倍率200-600％，优选为300-450％，获得5-30μm厚度的具有交替多层结构的复合电介质薄膜材料。本专利技术先将改性无机粒子与接枝活性基团的聚合物采用传统的熔融共混法制备出具有核壳结构的三元复合材料，再将三元复合材料与聚合物微纳共挤，即创新性地将“熔融共混与微纳共挤”进行有机结合，聚合物层与有机-无机复合层交替存在于材料内部，其中复合层中添加高介电常数的无机填料以提高材料的介电常数，聚合物层的限制作用使得无机纳米填料由原来的三维自由分布变成二维分布，减少了无机纳米粒子空间团聚，从而解决了由于无机粒子团聚而引起的电场畸变造成材料抗电强度降低的问题。同时，聚合物层与填料层交替存在于电场时，聚合物层可以有效的阻碍内部的载流子从而提高电介质材料的空间体积电阻率，获得了高介电常数、高抗电强度的具有交替多层结构的有机-无机复合电介质材料。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术提供的复合材料具有介电常数高，可以达到20以上；抗电强度高，可以达到500V/μm以上；储能密度高，50Hz频率下，储能密度最高可达为9.34J/cm3，在100Hz电场频率下，储能密度可达8.5J/cm3，其能量释放效率达到95％以上，同时所获得的材料可以通过双向拉伸得到厚度15-30μm的薄膜材料，具有市本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于：所述复合电介质材料由聚合物层与复合层交替层叠而成；/n其中，所述复合层由聚合物、改性聚合物和无机粒子组成，所述改性聚合物占所述复合层的体积百分含量为1-50％；所述无机粒子占所述复合层的体积百分含量为0.1-25％。/n

【技术特征摘要】
1.一种交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于：所述复合电介质材料由聚合物层与复合层交替层叠而成；
其中，所述复合层由聚合物、改性聚合物和无机粒子组成，所述改性聚合物占所述复合层的体积百分含量为1-50％；所述无机粒子占所述复合层的体积百分含量为0.1-25％。


2.根据权利要求1所述的交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于：所述复合电介质材料的层数为2-512层，优选为32-128层。


3.根据权利要求1所述的交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于，所述聚合物选自偏二氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种，优选为偏二氟乙烯或聚丙烯。


4.根据权利要求1所述的交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于，所述改性聚合物为聚合物基体分子端或支链接枝活性化学基团的高分子材料。


5.根据权利要求4所述的交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于，所述活性化学基团为马来酸酐、甲基丙烯酸基、羟基、羧酸、醛基、氨基、异氰酸酯中的至少一种，优选为马来酸酐或甲基丙烯酸基。


6.根据权利要求4所述的交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于，所述接枝活性化学基团聚合物的接枝率为1％-10％，优选为1-5％。


7.根据权利要求1所述的交替多层结构的复合电介质材料，其特征在于，所述无机粒子为采用硅氧烷偶联剂进行改性的改性无机粒子；所述硅氧烷偶联剂选自甲基丙烯酸-3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-(2.3...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖煜，李瑞江，董晓聪，冯凌露，黄鑫，
申请(专利权)人：成都宏明电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51