一种三明治结构纳米复合介电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三明治结构纳米复合介电薄膜及其制备方法，一种三明治结构纳米复合介电薄膜，介电薄膜包括由上往下依次设置的：上层，所述上层为聚醚砜/氧化铝复合材料层；中间层，所述中间层为聚氨酯/钛酸钡复合材料层；下层，所述下层为聚醚砜/氧化铝复合材料层；本发明专利技术的三明治结构纳米复合介电薄膜具备下述有益效果：具有高的介电常数和击穿强度以及低的介电损耗，能够满足薄膜电容器的小型化、耐高温以及大容量的需求。高温以及大容量的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种三明治结构纳米复合介电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及介电储能材料
，尤其是涉及一种三明治结构纳米复合介电薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]薄膜电容器是一种重要的基础电子元件。目前，薄膜电容器中最常用的薄膜电介质为BOPP，其耐温性在105℃左右，相对介电常数只有2
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3，因此即使在高场强下其储能密度也只有不到2J/cm3，这意味着满足一定的储能要求需要很大的体积。而近年来，新能源领域如光伏发电，风力发电，特别是新能源汽车的发展，对薄膜电容器提出了小型化，耐高温，大容量等更高的要求。
[0003]聚醚砜(PES)是一种略带琥珀色的透明或半透明聚合物，可以在180℃下长期使用，热稳定性好，耐水解，尺寸稳定性好，成型收缩率小，即使在高温下也能保持优良的机械性能，且在宽广的温度和频率范围内具有优良的电性能，是最具潜力的耐高温电介质薄膜聚合物之一。但高温下较大的介电损耗限制了其应用。目前的研究主要致力于通过添加少量高禁带宽度的纳米粒子来降低聚醚砜高温状态下的漏导损耗，而纳米氧化铝具有 8.6eV的宽带隙，可以有效的捕获电荷，降低复合材料的漏电流。但较低的添加量也难以提高复合材料的介电常数。
[0004]铁电陶瓷钛酸钡具有介电常数高、能量密度大和稳定性优异等特点。但是，如若直接将钛酸钡纳米颗粒添加在聚合物中，纳米粒子之间会因较强的作用力团聚在一起，不能起到提高介电常数和降低介电损耗的作用。
[0005]综上所述，现有技术复合介电薄膜具有下述缺陷：1)对薄膜电容器提出了小型化，耐高温，大容量的需求；2)聚醚砜添加纳米粒子的材料虽然能够降低复合材料的漏电流，但是难以满足复合材料介电常数的要求。

技术实现思路

[0006]针对上述单层聚合物/陶瓷填料复合介电材料存在的上述问题，本专利技术提供了一种三明治结构复合薄膜的制备方法，该三明治结构复合介电薄膜材料具有高的介电常数和击穿强度以及低的介电损耗，能够满足薄膜电容器的小型化、耐高温以及大容量的需求。
[0007]具体的：通过对陶瓷颗粒表面进行包覆或修饰，有效改善其在聚合物中的分散性和相容性，从而减少因界面缺陷造成的介电损耗。本文通过原位聚合，将钛酸钡纳米粒子直接接枝到聚氨酯大分子链上，从而实现钛酸钡在聚合物中的纳米级分散，提高了复合薄膜介电和储能性能。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种三明治结构纳米复合介电薄膜，
[0010]介电薄膜包括由上往下依次设置的：
[0011]上层，所述上层为聚醚砜/氧化铝复合材料层；
[0012]中间层，所述中间层为聚氨酯/钛酸钡复合材料层；
[0013]下层，所述下层为聚醚砜/氧化铝复合材料层；
[0014]其中，各层包括下述重量份的组分：
[0015]聚醚砜/氧化铝复合材料层：聚醚砜10～20份、氧化铝0.1～0.2份；
[0016]聚氨酯/钛酸钡复合材料层：聚氨酯15份，钛酸钡3～5份，N～甲基吡咯烷酮80～85份。
[0017]一种制备三明治结构纳米复合介电薄膜的方法，包括如下步骤：
[0018]1)聚醚砜/氧化铝复合材料的制备
[0019]称量聚醚砜颗粒加入有机溶剂中，在水浴条件下加热并磁力搅拌，得到聚醚砜溶液，水浴温度在40～70℃，搅拌时间在2h～5h；
[0020]将氧化铝纳米粉体加入有机溶剂中，超声分散30分钟，得到氧化铝分散液；
[0021]将氧化铝分散液加入聚醚砜溶液中，超声搅拌均匀得到聚醚砜/氧化铝复合分散液；
[0022]2)聚氨酯/钛酸钡复合材料的制备
[0023]A)用过氧化氢溶液对钛酸钡纳米粉体进行处理，得到表面羟基化的钛酸钡纳米粉体；
[0024]B)将表面羟基化的钛酸钡纳米粉体与N～苯基～3～氨基丙基三甲氧基硅烷反应，得到表面氨基化的钛酸钡纳米粉体；
[0025]C)将表面氨基化的钛酸钡纳米粉体、甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚丙二醇(PPG
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1000)加入有机溶剂中常温下搅拌反应10
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30min，再加热至50
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100℃反应1
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3h，降至常温后，再加入固化剂科思创DesmodurL75(TDI 与三羟甲基丙烷的加成物，TDI
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TMP加成物，质量分数75％)及催化剂，得到聚氨酯预聚物/钛酸钡复合分散液；
[0026]3)三明治结构复合薄膜的制备
[0027]将聚醚砜/氧化铝复合分散液均匀流延在玻璃基板上，在40～80℃下真空干燥2～6h，随后转移至鼓风烘箱热处理后，得到聚醚砜/氧化铝复合薄膜；在聚醚砜/氧化铝复合薄膜上再均匀流延一层聚氨酯预聚物/钛酸钡复合分散液，在40～80℃下真空干燥1～2h，阶梯升温至100～150℃并加热2～6h，得到双层复合薄膜；在聚氨酯/钛酸钡复合薄膜上再均匀流延一层聚醚砜/ 氧化铝复合分散液，相同工艺条件处理后，得到三明治结构复合薄膜。
[0028]作为本方案的进一步改进，步骤1)中，所述聚醚砜复合溶液的质量浓度为10～30％；
[0029]作为本方案的进一步改进，步骤1)中，所述纳米氧化铝的粒径为 20～50nm，超声功率1～1.5KW，超声时间10～30min；
[0030]作为本方案的进一步改进，
[0031]步骤2)中A)的处理方法为：将钛酸钡纳米粉体加入过氧化氢溶液中，超声分散均匀后在95～105℃下反应2～6h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面羟基化的钛酸钡纳米粉体；
[0032]钛酸钡的粒径为50～200nm。
[0033]作为本方案的进一步改进，
[0034]步骤2)中B)的处理方法为：将表面羟基化的钛酸钡纳米粉体加入 N,N～二甲基甲
酰胺溶液中，超声震荡30分钟，加入N～苯基～3～氨基丙基三甲氧基硅烷，在70～90℃，氮气保护下反应12～24h，将产物分离、清洗、干燥后得到表面氨基化的钛酸钡纳米粉体。
[0035]作为本方案的进一步改进，步骤2)中C)中，将表面氨基化的钛酸钡纳米粉体加入N,N～二甲基甲酰溶液中，超声震荡30分钟，加入TDI和 PPG～1000，其摩尔比为1：2，氮气保护下，先在室温下搅拌反应10～30min，再升温至80℃，搅拌反应1～3h后，降至室温。
[0036]作为本方案的进一步改进，步骤2)中C)中，室温下加入固化剂L75，其中异氰酸酯基与聚氨酯预聚物羟基的摩尔比为1.0～1.2：1，催化剂为有机锡，加入量为树脂总质量的0.1％。
[0037]作为本方案的进一步改进，步骤1)和2)中的有机溶剂选自N,N～二甲基甲酰胺，N,N～二甲基乙酰胺，N～甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
[0038]作为本方案的进一步改进，所述氧化铝的添加量是聚醚砜/氧化铝复合材料的0.1～1％，所述钛酸钡的添加量是聚氨酯/钛酸钡复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三明治结构纳米复合介电薄膜，其特征在于，介电薄膜包括由上往下依次设置的：上层，所述上层为聚醚砜/氧化铝复合材料层；中间层，所述中间层为聚氨酯/钛酸钡复合材料层；下层，所述下层为聚醚砜/氧化铝复合材料层；其中，各层包括下述重量份的组分：聚醚砜/氧化铝复合材料层：聚醚砜10～20份、氧化铝0.1～0.2份；聚氨酯/钛酸钡复合材料层：聚氨酯15份，钛酸钡3～5份，N～甲基吡咯烷酮80～85份。2.一种制备权利要求1所述三明治结构纳米复合介电薄膜的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)聚醚砜/氧化铝复合材料的制备称量聚醚砜颗粒加入有机溶剂中，在水浴条件下加热并磁力搅拌，得到聚醚砜溶液，水浴温度在40～70℃，搅拌时间在2h～5h；将氧化铝纳米粉体加入有机溶剂中，超声分散30分钟，得到氧化铝分散液；将氧化铝分散液加入聚醚砜溶液中，超声搅拌均匀得到聚醚砜/氧化铝复合分散液；2)聚氨酯/钛酸钡复合材料的制备A)用过氧化氢溶液对钛酸钡纳米粉体进行处理，得到表面羟基化的钛酸钡纳米粉体；B)将表面羟基化的钛酸钡纳米粉体与N～苯基～3～氨基丙基三甲氧基硅烷反应，得到表面氨基化的钛酸钡纳米粉体；C)将表面氨基化的钛酸钡纳米粉体、甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚丙二醇(PPG
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1000)加入有机溶剂中常温下搅拌反应10
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30min，再加热至50
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100℃反应1
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3h，降至常温后，再加入固化剂科思创Desmodur L75(TDI与三羟甲基丙烷的加成物，TDI
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TMP加成物，质量分数75％)及催化剂，得到聚氨酯预聚物/钛酸钡复合分散液；3)三明治结构复合薄膜的制备将聚醚砜/氧化铝复合分散液均匀流延在玻璃基板上，在40～80℃下真空干燥2～6h，随后转移至鼓风烘箱热处理后，得到聚醚砜/氧化铝复合薄膜；在聚醚砜/氧化铝复合薄膜上再均匀流延一层聚氨酯预聚物/钛酸钡复合分散液，在40～80℃下真空干燥1～2h，阶梯升温至100～150℃并加热2～6h，得到双层复合薄膜；在聚氨酯/钛酸钡复合薄膜上再均匀流延一层聚醚砜/ 氧化铝复合分散液，相同工艺条件处理后，得到三明治结构复合薄膜。...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洋，南策文，陈涛，江建勇，潘家雨，胡澎浩，
申请(专利权)人：乌镇实验室，
类型：发明
国别省市：