一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料及制备方法。介电复合材料制备中，高体积分数无机物粒子的加入，会导致聚合物的机械性能和击穿强度大幅度降低。所述的复合材料是由片状钛酸锶和PVDF基聚合物组成的；钛酸锶纳米片在复合材料中的质量分数为1～30％，钛酸锶纳米片的粉体片径为0.1～10μm，厚度为10～100nm；所述的PVDF基聚合物包含聚偏氟乙烯PVDF和基于PVDF的P(VDF‑CTFE)、P(VDF‑HFP)、P(VDF‑TrFE)、P(VDF‑CTFE‑TrFE)。本发明专利技术使用二维片状钛酸锶作为无机添加粒子，可以有效降低添加物的含量，避免高含量无机粒子添加导致的机械性能和击穿强度的下降。

A kind of two-dimensional sheet strontium titanate composite with high dielectric and energy storage and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料及制备方法
本专利技术属于功能材料制备
，具体涉及一种基于二维高介电、高储能的片状钛酸锶复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着电子信息技术的飞速发展，电子产品对人们的生活越来越重要。电容作为一种需求量庞大的基础电子器件，几乎在所有电子电路的设计中，发挥着不可或缺的作用。此外，电容还常作为储能器件而被广泛应用在很多电力系统中。相对于锂电池等化学储能器件，介电电容具有功率密度高、损耗低及工作电压高的优点。基于聚合物材料的电容器是一种在电子电路中常见的电容器类型，这种电容器有较高的击穿场强，但介电常数较低、储能密度小。如双轴取向聚丙烯材料(BOPP)虽然具有较高的击穿强度，但其能量密度(1J/cm3)和介电常数(εr＝2.2)非常小。常见的聚合物材料中介电常数最高的聚合物材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，其介电常数通常在9-11之间，但PVDF仍无法满足高储能密度电容器的要求。为了提高聚合物材料的介电常数和能量密度，可以通过向聚合物材料中掺杂无机物粒子实现，一种常用且简单有效的方法是将高介电的陶瓷粉体如钛酸钡、钛酸钠铋、氧化锌、钛酸锶等作为填料与具有高击穿强度的聚合物进行复合。这种方法可以有效的提高材料的介电性能(通常在高体积分数下实现)，能在较低的电场强度下得到较高的储能密度。但高体积分数(无机物粒子体积占复合材料总体积的比例)无机物粒子的加入，会导致聚合物的机械性能和击穿强度大幅度降低。并且，在向聚合物中掺杂无机物粒子的过程中，由于无机物粒子和聚合物的表面能不同，两者相容性较差，使得掺杂过程中容易出现空隙导致两相界面分离的情况，导致无机物粒子无法均匀的分布在聚合物材料中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于对现有的问题加以解决，提供一种基于高介电的片状钛酸锶复合材料及其制备方法。采用具有高介电常数的二维片状陶瓷材料对复合材料进行掺杂，可以有效降低无机物的掺杂体积分数，在此基础上，利用淬火工艺对材料进行处理，获得高介电常数和高储能密度的复合材料。本专利技术涉及的一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料，由片状钛酸锶和PVDF基聚合物组成的。钛酸锶纳米片在复合材料中的质量分数为1～30％；钛酸锶纳米片的粉体片径为0.1～10μm，厚度为10～100nm。作为优选，所述的PVDF基聚合物包含PVDF和基于PVDF的P(VDF-CTFE)、P(VDF-HFP)、P(VDF-TrFE)、P(VDF-CTFE-TrFE)聚合物。该高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料的制备方法，具体步骤如下：步骤1、取表面改性剂加入第一溶剂中搅拌加热形成表面改性剂溶液，加热温度为50～80℃。步骤2、取钛酸锶纳米片加入表面改性剂溶液中加热搅拌8～15h后，自然冷却至室温并离心出沉淀的片状无机物粒子，并对分离出的片状无机物粒子进行洗涤，在60～80℃下干燥10～16h后得到表面改性后的钛酸锶粒子。步骤3、将PVDF基聚合物添加到极性溶剂中，搅拌溶解，得到聚合物溶液。步骤4、将步骤2得到的钛酸锶粒子粉末添加到步骤3得到的聚合物溶液中，搅拌10～30min，超声10～30min，重复多次形成均匀悬浮液；再将悬浮液均匀涂覆在石英基板上，涂覆量为1.5～4ml，在60～100℃的加热台上加热0.5～1.5h得到复合薄膜雏形。步骤5、将步骤4所得的复合薄膜雏形放于190～210℃的干燥箱中热处理1～2h，随后立即取出置于0℃的环境中淬火处理1～5min，得到致密的复合材料薄膜；最后将所得的致密复合薄膜放于60～80℃的干燥箱中热处理1～2h，使其表面水分完全蒸发后，得到最终的复合材料薄膜。作为优选，步骤1中，所述表面改性剂与第一溶剂的料液比为10:1～100:1g/L。作为优选，步骤1中所述的表面改性剂采用盐酸多巴胺、酞酸酯表面改性剂、硅烷表面改性剂或有机钛类表面改性剂；步骤3中所述的极性溶剂采用DMF、NMP或DMAC的分析纯溶剂。作为优选，步骤2中，洗涤的过程为：用第一溶剂和第二溶剂分别离心洗涤片状无机物粒子两次；所述的第一溶剂采用去离子水或蒸馏水；所述的第二溶剂采用无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺乙二醇单甲醚、二甲苯中的一种或多种。作为优选，步骤3中所述PVDF基聚合物与极性溶液的料液比为10:1～100:1g/L。与现有的技术相比，本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术使用二维片状钛酸锶作为无机添加粒子，可以有效降低添加物的含量，避免高含量无机粒子添加导致的机械性能和击穿强度的下降，进而影响储能密度下降。采用低含量的二维片状钛酸锶的添加，保证了较高的机械性能和击穿强度。2、本专利技术使用盐酸多巴胺作为表面改性剂对无机粒子片状钛酸锶进行表面改性，通过表面改性剂盐酸多巴胺存在的两种基团分别与无机物和有机物结合，有效的解决了无机粒子与有机粒子之间由于表面能不同而引起的相容性差问题，使得改性后的片状钛酸锶在制备过程中能够均匀的分布在有机体中。3、本专利技术制备的经表面改进的片状钛酸锶与聚合物PVDF复合形成的复合材料的介电性相比于PVDF有所提升，同时提高了复合材料的极化强度值，使得其可释放能量密度有了明显的提升。本专利技术制备的经表面改进的片状钛酸锶与聚合物PVDF复合形成的复合材料具有介电常数高、储能密度高、稳定性良好的特征，制备方法简单，易于大批量生产。附图说明图1a、1b分别为实施例1添加了SrTiO3所得的复合材料薄膜的在1μm标尺、400nm标尺下的SEM图；图2为实施例1添加了SrTiO3所得的复合材料薄膜与纯聚合物的介电常数对比图；图3为实施例1添加了SrTiO3所得的复合材料薄膜与纯聚合物的电滞回线对比图；图4为实施例1添加了SrTiO3所得的复合材料薄膜与纯聚合物的可释放能量密度对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。实施例1.一种高介电、高储能的二维片状钛酸锶复合材料的制备方法，具体如下：(1)取0.01mol的盐酸多巴胺放入0.1L去离子水中搅拌加热形成盐酸多巴胺水溶液，加热温度为60℃。(2)取厚度10～100nm,片径为0.1～10μm的片状钛酸锶放入盐酸多巴胺水溶液加热搅拌10小时后自然冷却至室温并离心出沉淀的片状无机物粒子；将沉淀的片状无机物粒子依次使用去离子水和无水乙醇分别离心洗涤两次，在70℃下干燥12小时后得到多巴胺表面改性后的片状无机粒子。改性后的片状无机粒子的片径在3～15μm之间，厚度在200～300nm之间，是一种二维纳米材料。(3)将3g的PVDF(聚偏氟乙烯)添加到0.1L的DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，充分搅拌，直至完全溶解，得到聚合物溶液。(4)将所得的片状无机粒子粉末添加到聚合物溶液中，搅拌30分钟，超声30分钟，重复3次，形成均匀悬浮液；再将所得的均匀悬浮液涂覆于石英基板上，涂覆量为1.5ml，在70℃的温度下加热1小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料，其特征在于：所述的复合材料由片状钛酸锶和PVDF基聚合物组成的；钛酸锶纳米片在复合材料中的质量分数为1～30％；钛酸锶纳米片的粉体片径为0.1～10μm，厚度为10～100nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料，其特征在于：所述的复合材料由片状钛酸锶和PVDF基聚合物组成的；钛酸锶纳米片在复合材料中的质量分数为1～30％；钛酸锶纳米片的粉体片径为0.1～10μm，厚度为10～100nm。


2.根据权利要求1所述的一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料，其特征在于：所述的PVDF基聚合物包含PVDF和基于PVDF的P(VDF-CTFE)、P(VDF-HFP)、P(VDF-TrFE)、P(VDF-CTFE-TrFE)聚合物。


3.如权利要求1所述的一种高介电高储能的二维片状钛酸锶复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤1、取表面改性剂加入第一溶剂中搅拌加热形成表面改性剂溶液，加热温度为50～80℃；
步骤2、取钛酸锶纳米片加入表面改性剂溶液中加热搅拌8～15h后，自然冷却至室温并离心出沉淀的片状无机物粒子，并对分离出的片状无机物粒子进行洗涤，在60～80℃下干燥处理10～16h后得到表面改性后的钛酸锶粒子；
步骤3、将PVDF基聚合物添加到极性溶剂中，搅拌溶解，得到聚合物溶液；
步骤4、将步骤2得到的钛酸锶粒子粉末添加到步骤3得到的聚合物溶液中，搅拌10～30min，超声10～30min，重复多次形成均匀悬浮液；再将悬浮液均匀涂覆在石英基板上，涂覆量为1.5～4ml，在60～100℃加热台上加热0.5～1.5h...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽丽，胡永倩，周炳，吴薇，董林玺，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33