一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜及其制备方法，该薄膜是一种高介电常数、高击穿场强和低损耗的氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，属于功能薄膜制备领域。本发明专利技术中采用介电常数高、加工性好的聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于介电薄膜制备与应用领域，具体涉及一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]薄膜电容器是一种重要的功率型储能器件，具有充放电速度快、工作电压高、全固态、寿命长、性能稳定等优点，被广泛用于光伏/风力发电、电动汽车、脉冲功率应用等众多领域。薄膜电容器的储能表现主要取决于其核心部件介电薄膜的性能，其最高储能密度U
e
可简单通过公式U
e
＝0.5ε0ε
r
E
b2
来计算，其中ε0、ε
r
和E
b
分别为真空介电常数、介电薄膜的相对介电常数和击穿场强。目前，商用薄膜电容器用介电薄膜以双轴拉伸聚丙烯(BOPP)为主。然而，受其低介电常数(～2.2@1kHz)的制约，BOPP基薄膜电容器的储能密度过低(<3J cm3)，严重制约相应电子电气设备的小型化、轻量化发展，亟需发展高储能密度的介电薄膜材料。
[0003]复合材料是近年来发展高储能密度介电薄膜的一种常见方法，其目的在于功能互补，结合聚合物的击穿强度高、加工性好以及轻柔等优势和填料带来的高介电常数等优势，从而获得兼具高介电常数、高击穿强度和良好加工性能的复合介电薄膜材料。目前的复合介电薄膜可大致分为两类：导电填料填充体系和非导电填料填充体系。导电填料填充体系可在较低填料含量下获得介电常数的大幅提升，但相伴而来是击穿强度的显著劣化以及介电损耗的明显增加，限制了相应储能密度和储能效率的提升。非导电填料填充体系的介电常数可通过有效介质模型预测，只有在很高填料含量下(通常大于40wt％)才能获得的介电常数的显著提升，除了会带来击穿强度的显著劣化之外，还会严重影响复合材料的加工性、轻质性以及机械柔性。不难看出，上述复合策略都存在严重技术缺陷，迫切需要新技术来克服上述局限，同时获得较高介电常数、击穿场强和低损耗，以此来实现柔性介电薄膜的储能性能的提升。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜及其制备方法，以解决现有技术中复合介电薄膜存在的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，包括聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯，所述聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中分散有片状的氟化石墨烯；所述氟化石墨烯和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯的交界处形成界面区，所述氟化石墨烯的片状在聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中沿面取向。
[0007]本专利技术的进一步改进在于：
[0008]优选的，所述氟化石墨烯的片径尺寸为1～5μm，厚度1～3nm，氟碳比为0.8～1.2。
[0009]优选的，所述氟化石墨烯在聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中含量为0.1～0.5wt.％。
[0010]一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜的制备方法，混合氟化石墨烯溶液和聚偏氟
乙烯
‑
六氟丙烯溶液，获得纺丝溶液；将纺丝溶液进行高压静电纺丝，通过旋转滚筒电极收集静电纺丝，获得过程膜，将过程膜真空干燥后获得无纺纤维膜；将无纺纤维膜热压后获得复合介电薄膜。
[0011]优选的，聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯在纺丝溶液中的质量分数为12～18wt％。
[0012]优选的，所述氟化石墨烯是聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯质量的0.1～0.5％。
[0013]优选的，高压静电纺丝过程中纺丝电压1～1.5kV/cm，纺丝液泵速为0.5～1mL/h，滚筒电极旋转速度为1500～3000rpm。
[0014]优选的，热压温度为180～220℃，热压压力为10
‑
15MPa，热压时间为15～25min。
[0015]优选的，所述氟化石墨烯溶液中溶剂为丙酮和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液，氟化石墨烯溶液经过超声分散处理。
[0016]优选的，所述聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯溶液的制备过程为将聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯加入至丙酮和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，在40～60℃加热搅拌后获得。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]本专利技术公开了一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，该薄膜是一种高介电常数、高击穿场强和低损耗的氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，属于功能薄膜制备领域。本专利技术中采用介电常数高、加工性好的聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯聚合物作为基体，PVDF
‑
HFP基体具有较低的结晶度，有利于击穿强度的改善；引入高氟碳比的氟化石墨烯作为二维柔性绝缘填料可显著改善复合薄膜的击穿性能；氟化石墨烯还可降低聚合物基体的结晶度，并能通过氢键作用与基体形成有益的致密的界面区，使得最终形成薄膜内部无孔隙，进一步改善复合薄膜的介电性能，非晶态的界面区，束缚了电荷，改善了界面区；而将氟化石墨烯沿面取向分布时能更有效地抑制沿面外方向的载流子迁移和电树枝生长，从而表现出更强的击穿性能改善效果；本专利技术的介电薄膜有效结合了聚合物基体的高介电常数以及氟化石墨烯填料带来的低损耗和高击穿场强，实现了介电性能的综合改善；本专利技术中氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，其所使用的氟化石墨烯的氟碳比高，具有禁带宽、漏电流小、电绝缘性好、耐热性佳的优点，同时长径比大、机械性能佳，因此可作为一种理想的二维绝缘填料来改善基体的绝缘性能。
[0019]进一步的，本专利技术中复合介电薄膜中氟化石墨烯作为填料含量极低，因此具有和聚合物基体基本相同的加工性、轻质性和柔性，解决了以往复合介电材料中介电性能和加工性等难以两全的矛盾。本专利技术的制备方法操作简单、效果突出，得到的产品性能优异。
[0020]进一步的，氟化石墨烯的平面两侧富含F基团，能通过氢键作用与PVDF
‑
HFP基体形成良好的界面作用，有利于形成有利的界面区，从而改善高电场下复合薄膜内部的电荷输运行为。
[0021]本专利技术还公开了一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜的制备方法，该制备方法采用静电纺丝、高速滚筒电极收集以及热压工艺，将三种工艺相结合。可使氟化石墨烯在薄膜中均匀分散，并沿面取向分布，这种分布结构有利于发挥氟化石墨烯在抑制漏电流抵御电树枝生长方面的最大作用，进而显著改善击穿性能；
附图说明
[0022]图1为实施例1制备的氟化石墨烯的电镜照片；
[0023]图2为实施例1制备的氟化石墨烯的X射线电子能谱图；
[0024]图3为实施例2制备的取向结构纤维膜的扫描电镜照片；
[0025]图4为实施例2制备的复合薄膜断面的扫描电镜照片；
[0026]图5为实施例3制备的不同氟化石墨烯含量复合薄膜的光学照片。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，其特征在于，包括聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯，所述聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中分散有片状的氟化石墨烯；所述氟化石墨烯和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯的交界处形成界面区，所述氟化石墨烯的片状在聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中沿面取向。2.根据权利要求1所述的一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，其特征在于，所述氟化石墨烯的片径尺寸为1～5μm，厚度1～3nm，氟碳比为0.8～1.2。3.根据权利要求1所述的一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜，其特征在于，所述氟化石墨烯在聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯中含量为0.1～0.5wt.％。4.一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于，混合氟化石墨烯溶液和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯溶液，获得纺丝溶液；将纺丝溶液进行高压静电纺丝，通过旋转滚筒电极收集静电纺丝，获得过程膜，将过程膜真空干燥后获得无纺纤维膜；将无纺纤维膜热压后获得复合介电薄膜。5.根据权利要求4所述的一种氟化石墨烯改性聚合物复合薄膜的制备方法，其特征在于，聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯在纺丝溶液中的质量分数为12～18wt％...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国隆，杨卓凡，李磊，李乐源，宋家乐，王敬淇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：