一种聚酰亚胺材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电容器储能材料技术领域，尤其涉及一种聚酰亚胺材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的聚酰亚胺材料，具有式Ⅰ所示结构；由于分子结构中具有特定结构的W、Y、X和Z基团且同时具有强极性基团

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰亚胺材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电容器储能材料
，尤其涉及一种聚酰亚胺材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]为了满足混合动力汽车、智能电网和航空航天动力系统等领域日益增长的高储能需求，迫切需要开发一种耐高温的电介质材料，以抵抗其在高温环境下遭受的损害。通常，陶瓷电容器可以承受高温并有较高的介电常数，但击穿强度较低，并且介电性能随温度变化较大，限制了其高温环境中的应用。
[0003]由于具有优异的电性能和易于定制微米级厚度的大面积介电膜，使聚合物电介质成为电容器的优选材料。目前，已经开发出一些在高温下稳定的聚合物电介质，例如聚萘二甲酸乙二醇酯，聚醚醚酮，聚酰亚胺等。其中，聚酰亚胺由于其具有高的击穿强度，低的介电损耗，优异的耐热性等特点而备受关注，成为一种潜在的高温电介质材料，但上述聚合物电介质材料仍存在介电性能不足的缺点。
[0004]近年来，研究人员倾向于向聚酰亚胺中引入各种结构和形状的陶瓷填料(例如钛酸钡)与导电填料(例如石墨烯)来制备聚合物基复合膜来改善聚合物的介电性能上的不足。但是这些填料一般具有较高的表面能，而聚合物的表面能通常很低。这种表面能的显着差异使得填料与聚合物两相之间产生了较差的界面相容性，从而引起结构缺陷和电场集中，使得击穿场强急剧降低。并且随着填料的引入，复合膜的机械强度和柔韧性也大大降低。
[0005]具有高介电常数的本征型聚酰亚胺材料由于优异的机械性能、良好的加工性能、低密度等固有优势，吸引了研究人员们的注意。本征型聚酰亚胺介电性能的提升方法通常是通过有机合成反应在聚合物链中引入功能性基团或嵌入特定的分子链段，来制备具有新的化学结构的聚合物。这些基团将增加分子的极化率，从而提高介电常数。但聚氨酯材料的介电常数仍然较低。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种聚酰亚胺材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的聚酰亚胺材料实现了介电常数的提高，且具有击穿场强高、储能密度高、热稳定性好的优点。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种聚酰亚胺材料，具有式Ⅰ所示结构：
[0009][0010]所述m和n独立的为大于0的正整数；
[0011]所述W和Y独立地为具有式II～式X所示结构中的任意一种：
[0012][0013]所述X和Z独立地为具有式XI～式XVI所示结构中的任意一种：
[0014][0015]优选的，所述W和Y独立地为具有式II或式VI所示结构；
[0016]所述X和Z独立地为具有式XI或式XII所示结构。
[0017]本专利技术提供了上述技术方案所述聚酰亚胺材料的制备方法，包括以下步骤：
[0018]在保护气氛中，将二酐单体和二胺单体在非质子极性有机溶剂中进行聚合反应，得到聚酰胺酸溶液；所述二酐单体为含有W结构的二酐单体和含有Y结构的二酐单体，所述二胺单体为含有X结构的二胺单体和含有Z结构的二胺单体；
[0019]将所述聚酰胺酸溶液进行酰亚胺化反应，得到所述聚酰亚胺材料。
[0020]优选的，所述含有W结构的二酐单体和含有Y结构的二酐单体独立地为均苯四甲酸酐、3,3',4,4'
‑
联苯四甲酸二酐、4,4'
‑
氧双邻苯二甲酸酐、4,4'
‑
(4,4'
‑
异丙基二苯氧基)
双(邻苯二甲酸酐)、3,3',4,4'
‑
二苯甲酮四甲酸二酐、双环[2.2.2]辛
‑7‑
烯
‑
2,3,5,6
‑
四羧酸二酐、对
‑
亚苯基
‑
双苯偏三酸酯二酐、3,3',4,4'
‑
二苯基磺酰基四甲酸二酐和1,4,5,8
‑
萘四甲酸酐中的任意一种。
[0021]优选的，所述含有X结构的二胺单体和含有Z结构的二胺单体独立的为间苯二胺、4,4'
‑
二氨基二苯醚、3,3'
‑
二氨基二苯甲酮、1,3
‑
二(4
‑
氨苯氧基)苯、双[4
‑
(4
‑
氨基苯氧基)苯基]砜和3,3'二氨基二苯砜中的任意一种。
[0022]优选的，所述非质子极性有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜和四氢呋喃中的任意一种。
[0023]优选的，二胺单体和二酐单体的物质的量之比为1：(1～1.05)；
[0024]所述二酐单体、二胺单体和非质子极性有机溶剂组成的混合溶液中二胺单体和二酐单体的质量百分含量为5～30％。
[0025]优选的，所述聚合反应的温度为0～50℃，所述聚合反应的时间为5～72h。
[0026]优选的，所述酰亚胺化反应的保温温度为80～300℃，所述酰亚胺化反应的保温时间为200～400min；升温至所述酰亚胺化反应保温温度的升温速率为1～3℃/min。
[0027]本专利技术提供了上述技术方案所述的聚酰亚胺材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的聚酰亚胺材料在储能电容器中的应用。
[0028]本专利技术提供了一种聚酰亚胺材料，具有式I所示结构：所述m和n独立的为大于0的正整数；所述W和Y独立地为具有式II～式X所示结构中的任意一种：
[0029]所述W和Y独立地为具有式II～式X所示结构中的任意一种：
[0030][0031]所述X和Z独立地为具有式XI～式XVI所示结构中的任意一种：
[0032][0033]本专利技术提供的聚酰亚胺材料，分子结构中具有特定结构的W、Y、X和Z基团且同时具有强极性基团
‑
COOH和
‑
CONH，通过增加分子的偶极极化能够实现介电常数的提高；并且能够提高高温使用时的放电能量密度和充放电效率。由实施例的结果表明，本专利技术提供的聚酰亚胺材料的介电常数在1000Hz时为3.59～4.59；并且，在室温时，最高放电能量密度可以达到6.8J
·
cm
‑3，同时保持94％以上的充放电效率。在150℃时，本专利技术提供的聚酰亚胺材料仍然可以保持3.28J
·
cm
‑3的放电能量密度和52％以上的充放电效率。因此，本专利技术提供的聚酰亚胺材料在电容器储能领域中有较好的应用前景。
[0034]本专利技术还提供了上述技术方案所述聚酰亚胺材料的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛中，将二酐单体和二胺单体在非质子极性有机溶剂中进行聚合反应，得到聚酰胺酸溶液；所述二酐单体为含有W结构的二酐单体和含有Y结构的二酐单体，所述二胺单体为含有X结构的二胺单体和含有Z结构的二胺单体；将所述聚酰胺酸溶液进行酰亚胺化反应，得到所述聚酰亚胺材料。本专利技术提供的制备方法简单、易推广本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚酰亚胺材料，其特征在于，具有式I所示结构：所述m和n独立的为大于0的正整数；所述W和Y独立地为具有式II～式X所示结构中的任意一种：所述X和Z独立地为具有式XI～式XVI所示结构中的任意一种：2.根据权利要求1所述聚酰亚胺材料，其特征在于，所述W和Y独立地为具有式II或式VI所示结构；所述X和Z独立地为具有式XI或式XII所示结构。3.权利要求1或2所述聚酰亚胺材料的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛中，将二酐单体和二胺单体在非质子极性有机溶剂中进行聚合反应，得到聚酰胺酸溶液；所述二酐单体为含有W结构的二酐单体和含有Y结构的二酐单体，所述二胺单体为含有X结构的二胺单体和含有Z结构的二胺单体；
将所述聚酰胺酸溶液进行酰亚胺化反应，得到所述聚酰亚胺材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述含有W结构的二酐单体和含有Y结构的二酐单体独立地为均苯四甲酸酐、3,3',4,4'
‑
联苯四甲酸二酐、4,4'
‑
氧双邻苯二甲酸酐、4,4'
‑
(4,4'
‑
异丙基二苯氧基)双(邻苯二甲酸酐)、3,3',4,4'
‑
二苯甲酮四甲酸二酐、双环[2.2.2]辛
‑7‑
烯
‑
2,3,5,6
‑
四羧酸二酐、对
‑
亚苯基
‑
双苯偏三酸酯二酐、3,3',4,4'
‑
二苯基磺酰基四甲酸二酐...

【专利技术属性】
技术研发人员：查俊伟，刘雪洁，郑明胜，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：