一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜及其制备方法，该共混薄膜由线性电介质聚合物和铁电聚合物经挤出、静电纺丝、热压制成；共混薄膜中，所述线性电介质聚合物的含量呈梯度变化。本发明专利技术通过双挤出、静电纺丝以及热压工艺，可以实现共混薄膜中一种聚合物基体的体积分数在薄膜面外方向上的分布调控，得到不同于基体随机分布而是具有特定梯度分布结构的共混薄膜，在介电常数较小的线性电介质体积含量较少的条件下可以保持相对较高的介电常数，线性电介质梯度分布的共混薄膜的击穿场强大幅提升，使得储能密度提升，充放电效率保持在约80％。保持在约80％。保持在约80％。

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及聚合物基介电薄膜材料制
，具体而言，涉及一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子工业的快速发展，对高储能能力的电容器要求也越来越高。研究人员对现有的高储能电容器和潜在的新电容器技术进行了研究和开发，讨论了各种可能满足器件介电常数和介电击穿强度要求的介电材料。然而，目前介电材料的一些显著局限性可以归结为它们的介电常数低、击穿强度低、介电损耗高，这些都将降低其能量密度和效率。因此，为了实现高能量密度的介电材料的应用，需要对介电材料进行全面的研究，对材料设计和加工的进行优化。
[0003]介电陶瓷具有比较高的介电常数，但是将其制备成陶瓷电容器时必须高温进行烧结，并且最终产品击穿场强不高，大多有很高的孔隙率，机械性往往也比较差。与陶瓷介质相比，聚合物介质具有击穿强度高、机械灵活性、重量轻、加工方便等优点，是电容器的首选材料。然而，聚合物固有的低介电常数严重限制了能量密度，而电介质材料的低能量密度导致电容体积和重量过大，不能满足电力系统日益增长的需求。此外，铁电聚合物的充放电效率较低，降低介质电容器的可靠性和使用寿命。通过向铁电聚合物基体中加入高介电常数的无机陶瓷纳米填料，如钛酸钡，得到铁电聚合物纳米复合材料，铁电聚合物纳米复合材料结合陶瓷和聚合物介质的优点。
[0004]然而，大多数纳米复合材料的击穿强度并没有像预期的那样增加，这是由于纳米颗粒的团聚导致的局部电场浓度过大，或陶瓷/聚合物界面上的电场畸变导致的。因此，开发能同时实现高能量密度和效率的材料是介电储能领域的重点和难点。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜及其制备方法，以解决现有介电储能材料能量密度低、储能效率不佳的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜，由线性电介质聚合物和铁电聚合物经挤出、静电纺丝、热压制成；共混薄膜中，所述线性电介质聚合物的含量呈梯度变化。
[0008]在上述技术特征基础上，可选地，所述线性电介质聚合物在所述共混薄膜中的体积分数在10％至90％范围内。
[0009]在上述技术特征基础上，可选地，将所述共混薄膜的中心区域定义为中间层，与中间层对应的两个外表面分别定义为第一表层和第二表层，所述梯度变化包括线性梯度变化，所述线性梯度变化包括：
[0010]所述线性电介质聚合物的体积分数沿所述第一表层至所述中心层线性递减，由所述中心层至所述第二表层线性递增。
[0011]在上述技术特征基础上，可选地，所述梯度变化还包括非线性梯度变化，所述非线性梯度变化包括：所述线性电介质聚合物的体积分数沿第一表层至中心层非线性递减，由所述中心层至所述第二表层非线性递增；或；所述线性电介质聚合物的体积分数沿第一表层至中心层非线性递增，由所述中心层至所述第二表层非线性递减。
[0012]在上述技术特征基础上，可选地，所述线性电介质聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺中的一种或多种；所述铁电聚合物包括聚偏氟
‑
三氟乙烯和/或聚偏氟乙烯。
[0013]在上述技术特征基础上，可选地，所述共混薄膜的厚度在1μm至100μm范围内。
[0014]本专利技术第二目的在于提供一种如上述所述的具有梯度结构的聚合物共混薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0015]S1、将线性电介质聚合物和铁电聚合物分别分散在混合溶剂中，搅拌均匀形成两种纺丝前驱体溶胶；
[0016]S2、将两种所述纺丝前驱体溶胶转移至双挤出机中，以匀变速的速度推注到一起后搅拌均匀，静电纺丝，滚筒接收共混纤维，得到由所述共混纤维堆积成的纤维毡；其中，通过调节推注速度控制所述共混纤维中所述线性电介质聚合物的含量；
[0017]S3、采用热压工艺对所述纤维毡进行热压成膜处理，得到具有梯度结构的聚合物共混薄膜。
[0018]在上述技术特征基础上，可选地，步骤S1中，所述混合溶剂包括N
‑
N二甲基甲酰胺和丙酮，所述N
‑
N二甲基甲酰胺与所述丙酮的体积比为3：2。
[0019]在上述技术特征基础上，可选地，所述纺丝前驱体溶胶的体积百分数在5％至15％范围内。
[0020]在上述技术特征基础上，可选地，所述采用热压工艺对所述纤维毡进行热压成膜处理包括步骤：将所述纤维毡在100
‑
400℃、2
‑
20Mpa条件下热压0
‑
60min，形成薄膜，然后将所述薄膜置于冰水中冷淬处理。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0022](1)本专利技术通过双挤出、静电纺丝以及热压工艺，可以实现共混薄膜中一种聚合物基体的体积分数在薄膜面外方向上的分布调控，得到不同于基体随机分布而是具有特定梯度分布结构的共混薄膜，进而控制薄膜面外方向上的介电性能和机械性能，从而一方面增加了共混薄膜充放电效率，另一方面，通过调控薄膜内电场强度，从而得到更高的击穿场强以及储能密度。
[0023](2)本专利技术制备方法简单，成膜过程不涉及到溶剂挥发，不仅可以精确控制膜的厚度，还可以控制聚合物基体在共混薄膜内部的分布调控共混薄膜电学性，适于推广。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一些简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例1所述通过调控PMMA体积分数线性分布得到的线性梯度共混
薄膜的示意图及薄膜面外方向上PMMA体积分数的变化；
[0026]图2为本专利技术实施例2所述通过调控PMMA体积分数非线性分布得到的非线性梯度共混薄膜的示意图及薄膜面外方向上PMMA体积分数的变化；
[0027]图3为本专利技术实施例3所述通过调控PMMA体积分数反
‑
非线性分布得到的反
‑
非线性梯度共混薄膜的示意图及薄膜面外方向上PMMA体积分数的变化；
[0028]图4为本专利技术实施例1、2、3所述三种不同梯度结构共混薄膜的面外方向上的介电常数的变化图；
[0029]图5为本专利技术实施例1、2、3所述三种不同梯度结构共混薄膜的面外方向上的杨氏模量的变化；
[0030]图6为本专利技术实施例1、2、3所述三种不同梯度结构共混薄膜的击穿场强的韦伯分布图；
[0031]图7为本专利技术实施例1、2、3所述三种不同梯度结构共混薄膜在不同电场强度下的储能密度和充放电效率；
[0032]图8为本专利技术实施例所述具有梯度结构的聚合物共混薄膜的工艺流程图及扫描电镜图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度结构的聚合物共混薄膜，其特征在于，由线性电介质聚合物和铁电聚合物经挤出、静电纺丝、热压制成；共混薄膜中，所述线性电介质聚合物的含量呈梯度变化。2.根据权利要求1所述的具有梯度结构的聚合物共混薄膜，其特征在于，所述线性电介质聚合物在所述共混薄膜中的体积分数在10％至90％范围内。3.根据权利要求2所述的聚合物共混薄膜，其特征在于，将所述共混薄膜的中心区域定义为中间层，与中间层对应的两个外表面分别定义为第一表层和第二表层，所述梯度变化包括线性梯度变化，所述线性梯度变化包括：所述线性电介质聚合物的体积分数沿所述第一表层至所述中心层线性递减，由所述中心层至所述第二表层线性递增。4.根据权利要求3所述的具有梯度结构的聚合物共混薄膜，其特征在于，所述梯度变化还包括非线性梯度变化，所述非线性梯度变化包括：所述线性电介质聚合物的体积分数沿第一表层至中心层非线性递减，由所述中心层至所述第二表层非线性递增；或；所述线性电介质聚合物的体积分数沿第一表层至中心层非线性递增，由所述中心层至所述第二表层非线性递减。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的具有梯度结构的聚合物共混薄膜，其特征在于，所述线性电介质聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺中的一种或多种；所述铁电聚合物包括聚偏氟
‑
三氟乙烯和/或聚偏氟乙烯。6.根据权利要求5所述的具有梯度结构的聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫，江彦达，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：