一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及聚合物介电薄膜的技术领域，公开了一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜及其制备方法，所述聚合物介电薄膜为单层结构，其原料包括PEI和PSU；所述PSU在PEI和PSU的共混物中所占质量百分比为5~20%。本发明专利技术通过两种聚合物共混制备复合薄膜，按照一定比例共混，实现聚合物复合薄膜高温储能性能的提升；采用溶液浇铸法制备聚合物复合薄膜，该制备工艺简单，无特殊加工过程，生产成本低，可用于薄膜的连续化生产。膜的连续化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及聚合物介电薄膜的
，尤其是涉及一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着储能技术和电力电子工业的发展对电子器件存储、吸收和提供电力的要求日渐提高。目前，主要用于能量存储的设备主要是电池和电容器。通常来说，电池属于长期储能设备，电容器属于短期储能设备。电池可以提供长期稳定的能量供应，但其功率密度很低；而电容器通常具有高功率密度和低能量密度，故常被用来产生脉冲电压或电流。
[0003]聚合物电介质具有柔性、易加工、质量轻和高击穿强度等优势。聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚砜(PSU)、聚碳酸酯(PC)等聚合物具有较高的玻璃转变温度(≥150℃)，极低的介电损耗，高体积电阻率，被广泛用于高温电介质材料研究及其在电子上的应用。但是在较高的温度下(150℃)，材料的漏电会急剧增加，电导损耗严重，储能密度下降。因此，目前的研究主要通过构建多层结构来增加电极与介质处的势垒能级，改善高温下聚合物电介质材料的储能性能。例如，公开号CN101882507B的中国专利技术专利公开了一种多层结构的聚合物基电介质复合材料及其制备方法，所提供的复合材料由叠加在一起的三层薄膜组成；外层薄膜中聚合物的体积份数为90％，无机陶瓷粒子的体积份数为10％；中间层薄膜中聚合物的体积份数为50
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80％，无机陶瓷粒子的体积份数为20
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50％。这种方法需要多层热压或涂覆，工艺复杂，且多层薄膜的厚度较难控制，因此不利于工业生产。

技术实现思路

[0004]为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜及其制备方法，通过二元共混实现聚合物复合薄膜高温储能性能的提升，利用溶液浇筑工艺进行制备，制得的聚合物介电复合薄膜具有质量轻、柔性好、输出高等优点，可应用于柔性电子和智能穿戴等新兴领域。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：第一方面，本专利技术提供了一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜，所述聚合物介电薄膜为单层结构，其原料包括PEI和PSU；所述PSU在PEI和PSU的共混物中所占质量百分比为5～20％。
[0006]聚合物基电介质材料因其高的击穿强度、低介电损耗、优良的加工性及独特的柔韧性等优异性能而得到了广泛的应用。但是，单独的聚合物基电介质材料往往介电常数较低，且在较高的温度下(150℃)，材料的漏电会急剧增加，电导损耗严重，储能密度下降。本专利技术通过将PEI和PSU共混，两者能够发生1+1＞2的协同效果，在一定比例限定下，二元共混薄膜的高温储能密度有效提升。并且，制备工艺简单，无特殊加工过程，生产成本低，可用于薄膜的连续化生产。
[0007]作为优选，所述聚合物介电薄膜的原料还包括占PEI和PSU的共混物质量10～30％
的改性纳米钛酸钡；所述改性纳米钛酸钡为咪唑聚合物包覆改性的纳米钛酸钡。
[0008]有机聚合物体系具有击穿场强高、柔韧性好和易加工的优势，但是介电常数较低。而陶瓷材料具有高的介电常数，但是较低的击穿场强限制了其储能密度的进一步提高。因而，本专利技术在二元共混聚合物体系中通过加入钛酸钡，可将陶瓷材料的高介电常数与聚合物的高击穿场强等优势有机地结合起来，进而获得良好的储能特性，尤其是高温储能效果更佳。
[0009]作为优选，所述改性纳米钛酸钡的制备方法包括如下步骤：(1)将纳米钛酸钡加入乙醇后超声分散，再加入1
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(3
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氨基丙基)咪唑，氮气保护下搅拌；再加入异硫氰酸烯丙酯、过氧化二异丙苯和二甲基亚砜，氮气保护下反应，离心分离，得到咪唑聚合物包覆的纳米钛酸钡；(2)将咪唑聚合物包覆的纳米钛酸钡与偶氮二异丁腈、甲基丙烯酸缩水甘油酯加入N,N
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二甲基甲酰胺中混合，氮气保护下加热反应，离心分离，得到环氧基团接枝的纳米钛酸钡；(3)将环氧基团接枝的纳米钛酸钡与氰酸酯树脂共混研磨，得到改性纳米钛酸钡。
[0010]聚合物基体和陶瓷材料之间的不相容性导致复合效果较差，两相之间较大的介电常数差异会产生高度不均匀电场，导致击穿强度降低，复合后由于不相容性还会产生内部缺陷或者团聚，导致性能十分不稳定，增大介电损耗，储能效果不佳。因而，本专利技术通过咪唑聚合物表面包覆改性纳米钛酸钡，能够改善钛酸钡在聚合物基体内的不相容性。1
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(3
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氨基丙基)咪唑能够和异硫氰酸烯丙酯发生聚合反应，并且诱导异硫氰酸烯丙酯中的双键发生聚合反应，能够在钛酸钡粒子表面形成更为致密的聚合物层。接着，通过甲基丙烯酸缩水甘油酯在聚合物层上反应引入环氧基团，环氧基团能够在薄膜制备烘干固化过程中与氰酸酯基团发生反应，从而能够将钛酸钡粒子固定在氰酸酯分子链结构中，能够进一步提高陶瓷材料与聚合物基体间的相容性以及分散均匀性。
[0011]另外，PEI聚合物分子链中局部链段的运动会造成β
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松弛，这种次级松弛现象会造成介电损耗的急剧上升，特别是在高温的情况下，对于其在高温储能中的应用是极为不利的。改性钛酸钡中的咪唑聚合物层、甲基丙烯酸缩水甘油酯和氰酸酯树脂均与PEI中的羰基形成氢键作用来限制PEI基体的β
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松弛，从而改善复合材料的高温储能性能。并且，氰酸酯树脂具有优异的介电性能即低介电常数和低介电损耗，优良的力学性能、高耐热性和良好的加工性能，也能够有助于得到性能更优的复合薄膜。
[0012]作为优选，步骤(1)中，所述纳米钛酸钡包括质量比为1～3：7～9的平均粒径为300～500nm的钛酸钡粒子和平均粒径为50～150nm的钛酸钡粒子；所述氮气保护下搅拌的时间为2～3h；所述氮气保护下反应为在30～35℃下反应12～14h；所述纳米钛酸钡、1
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(3
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氨基丙基)咪唑和异硫氰酸烯丙酯的质量比为1：1.5～2.5：3～4。
[0013]高含量的纳米陶瓷粉体在聚合物基体中极易发生团聚，进而在复合材料内部形成大量的孔洞，将显著降低复合材料的击穿场强。本专利技术通过对钛酸钡粒子的改性能够很好地改善团聚，而且采用不同粒径的钛酸钡粒子进行复配，能够有效避免形成缺陷和孔洞，颗粒之间会相互连通，使得复合材料具有较高的介电常数的同时，有效降低介电损耗。
[0014]作为优选，步骤(2)中，所述氮气保护下加热反应为在80～85℃搅拌反应40～48h；所述咪唑聚合物包覆的纳米钛酸钡、偶氮二异丁腈、甲基丙烯酸缩水甘油酯和N,N
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二甲基
甲酰胺的质量体积比为0.5g：1～2mg：0.8～1.2g：100mL。
[0015]作为优选，步骤(3)中，所述环氧基团接枝的纳米钛酸钡与氰酸酯树脂的质量比为1：0.2～0.5。
[0016]第二方面，本专利技术还提供了一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将PEI和PSU加入到有机溶剂中混合，在50本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二元共混的高温储能聚合物介电薄膜，其特征在于，所述聚合物介电薄膜为单层结构，其原料包括PEI和PSU；所述PSU在PEI和PSU的共混物中所占质量百分比为5 ~20 %。2.如权利要求1所述二元共混的高温储能聚合物介电薄膜，其特征在于，所述聚合物介电薄膜的原料还包括占PEI和PSU的共混物质量10~30%的改性纳米钛酸钡；所述改性纳米钛酸钡为咪唑聚合物包覆改性的纳米钛酸钡。3.如权利要求2所述二元共混的高温储能聚合物介电薄膜，其特征在于，所述改性纳米钛酸钡的制备方法包括如下步骤：（1）将纳米钛酸钡加入乙醇后超声分散，再加入1
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(3
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氨基丙基)咪唑，氮气保护下搅拌；再加入异硫氰酸烯丙酯、过氧化二异丙苯和二甲基亚砜，氮气保护下反应，离心分离，得到咪唑聚合物包覆的纳米钛酸钡；（2）将咪唑聚合物包覆的纳米钛酸钡与偶氮二异丁腈、甲基丙烯酸缩水甘油酯加入N,N
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二甲基甲酰胺中混合，氮气保护下加热反应，离心分离，得到环氧基团接枝的纳米钛酸钡；（3）将环氧基团接枝的纳米钛酸钡与氰酸酯树脂共混研磨，得到改性纳米钛酸钡。4.如权利要求3所述二元共混的高温储能聚合物介电薄膜，其特征在于，步骤（1）中，所述纳米钛酸钡包括质量比为1~3：7~9的平均粒径为300~500nm的钛酸钡粒子和平均粒径为50~150nm的钛酸钡粒子；所述氮气保护下搅拌的时间为2~3h；所述氮气保护下反应为在30~35℃下反应12~14h；所述纳米钛酸钡、1
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(3
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氨基丙基)咪唑和异硫氰酸烯丙酯的质量比为1：1.5~2.5：3~4。5.如权利要求3所述二元共混的高温储能聚合物介电薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洋，南策文，张劲，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：