一种非对称三明治结构PVDF基复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种非对称三明治结构PVDF基复合薄膜及其制备方法，该复合薄膜包括依次连接的BT/PVDF复合层、P(VDF

【技术实现步骤摘要】
一种非对称三明治结构PVDF基复合薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于聚合物储能领域，具体是一种非对称三明治结构PVDF基高储能密度复合薄膜材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代科学技术的飞速发展，能源环境问题日渐突出，储能技术将在社会变革中发挥重要作用。介质电容器寿命长、稳定性好，与其他任何电能储存装置相比具有超高的功率密度和击穿场强，在先进储能材料领域受到广泛关注。目前主流的商用介质电容器，如双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)，能量密度低(～2J
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‑3)，这大大限制了器件的小型化和在脉冲领域的应用。例如，在混合动力汽车的逆变器系统中，电介质电容器的体积占到30％以上。换句话说，介质电容器的能量密度每增加一倍，其体积就可以减少一半。因此，研发取代BOPP的具有超高能量密度的新材料是当前热门的研究方向。
[0003]传统聚合物介质材料如聚酰亚胺(PI)、聚偏氟乙烯(PVDF)、环氧树脂等，具有体积小、易加工等特点，但是介电常数很低，难以满足实际使用要求。为进一步提升聚合物材料能量密度，具有高介电常数的纳米陶瓷颗粒被选为填料加入聚合物基体中，由此构成陶瓷/聚合物复合材料。一方面通过选取高介电常数陶瓷为填料可有效提高复合材料的介电常数，另一方面聚合物基体又保留了其较高的耐击穿场强，从而实现对储能密度的显著提高。目前，常用于制备PVDF基复合材料的陶瓷填料主要有钛酸钡(BaTiO3，BT)、二氧化钛(TiO2)、锆钛酸铅(PbZrTiO3)等。然而，随着陶瓷/聚合物储能复合材料的发展，研究者发现尽管陶瓷的加入可以有效提高聚合物的介电常数，但同时也会降低其击穿场强并引入较高的漏电导损耗，因此仅采用将陶瓷与聚合物共混制备复合材料的方法已不能满足对更高储能密度的需求。因此，研究者们尝试将叠层结构设计引入到陶瓷/聚合物复合材料的制备中，将陶瓷纳米颗粒加入上下两层中提高介电常数，中间层为纯聚合物层以维持高的击穿电场。这种叠层结构可以有效结合不同层各自具有的优势，同时获得了高介电常数和高击穿场强，并在此基础上通过调控三层之间的厚度关系，可以大幅度提高储能密度。因此，通过引入无机陶瓷填料，设计材料的微观/宏观结构来提升聚合物储能密度受到了广大关注。
[0004]现在的大多技术所制备的三明治结构复合薄膜为对成型结构，即外层是掺杂陶瓷填料的复合层、中间层是具有高击穿的纯聚合物层或中间层是掺杂陶瓷填料的复合层、外层是具有高击穿的纯聚合物层，这种方法主要通过提高复合薄膜的介电常数来获得高储能密度，但该结构的界面效应严重，缺陷较多，材料击穿强度提升有限且储能效率远远不能满足应用要求。如采用铌酸钠(NN)纳米片作为陶瓷填料掺入聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物中做成复合薄膜，将此复合薄膜层作为外层，纯PVDF层作为中间层，此时击穿电场强度为400MV
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‑1，储能密度为13.5J
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‑3，储能效率为66.9％。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种非对称三明治结构PVDF
基复合薄膜及其制备方法，这种非对称三明治结构复合薄膜具有超高的击穿电场和超高的能量密度。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种非对称三明治结构PVDF基复合薄膜，该复合薄膜包括依次连接的BT/PVDF复合层、P(VDF
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HFP)聚合物层和BN/PVDF复合层，所述BT/PVDF复合层为掺杂钛酸钡纳米颗粒的聚偏氟乙烯基复合层，BN/PVDF复合层为掺杂二维氮化硼纳米片的聚偏氟乙烯基复合层。
[0008]优选的，所述BN/PVDF复合层中二维氮化硼纳米片的体积分数为1％～7％。
[0009]优选的，室温下，所述复合薄膜的储能密度在17.31～22.72J
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cm
‑3之间。
[0010]所述的非对称三明治结构PVDF基复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将二维氮化硼纳米片和聚合物PVDF粉末分散在DMF中，得到悬浊液C，所得悬浊液C通过流延法在基底上流延形成BN/PVDF复合层；
[0012]将P(VDF
‑
HFP)粉末分散在DMF中，得到溶液B，所得溶液B通过流延法在BN/PVDF复合层上流延形成P(VDF
‑
HFP)聚合物层；
[0013]将BaTiO3纳米颗粒和聚合物PVDF粉末分散在DMF中，得到悬浊液A，所得悬浊液A通过流延法在P(VDF
‑
HFP)聚合物层上流延形成BT/PVDF复合层。
[0014]优选的，所述二维氮化硼纳米片的制备方法包括：将六方氮化硼粉末加入异丙醇溶液中，超声1
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2h，搅拌30
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60min，重复3
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5次；将得到的悬浊液在3000
‑
4000r
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s
‑1下离心6
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15min，取上清液过滤，所得沉淀干燥，得到二维氮化硼纳米片。
[0015]优选的，将二维氮化硼纳米片和聚合物PVDF粉末分散在DMF中，具体是：将二维氮化硼纳米片加入DMF中，搅拌、超声交替进行若干次，然后加入聚合物PVDF粉末，再搅拌、超声交替进行若干次，得到悬浊液C。
[0016]优选的，将BaTiO3纳米颗粒和聚合物PVDF粉末分散在DMF中，具体是：将BaTiO3纳米颗粒加入DMF中，搅拌、超声交替进行若干次，然后加入聚合物PVDF粉末，再搅拌、超声交替进行若干次，得到悬浊液A。
[0017]优选的，流延时，设置流延机温度为185～195℃，刮刀高度为8～15μm。
[0018]优选的，流延形成BT/PVDF复合层后得到非对称三明治结构复合薄膜初步样品，非对称三明治结构复合薄膜初步样品在195～205℃下加热保温5
‑
10min后放在冰水中淬火，得到非对称三明治结构复合薄膜。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0020]本专利技术非对称三明治结构PVDF基复合薄膜包括三层，第一层为掺杂钛酸钡(BaTiO3)纳米颗粒的介电引导层，第二层为由P(VDF
‑
HFP)组成的击穿缓冲层，第三层为掺杂二维氮化硼(BN)纳米片的击穿截止层。第一层含有超高介电常数的纳米BaTiO3颗粒，可以集中引导击穿电树的生长；第二层为纯聚合物层，用来耗散击穿电树的能量；第三层含有超高绝缘性的二维BN纳米片，可以对击穿电树进行截止。通过对复合薄膜叠层结构的宏观设计，实现了复合薄膜击穿电场和储能密度的大幅提升，有效的克服了现有大多数材料由于界面效应导致的材料击穿强度低、有效储能密度低、储能效率差等缺点，可以快速充放电，且具有优异的循环稳定性；本专利技术复合薄膜储能特性优良，在室温下的击穿电场高达720MV
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‑1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非对称三明治结构PVDF基复合薄膜，其特征在于，该复合薄膜包括依次连接的BT/PVDF复合层、P(VDF
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HFP)聚合物层和BN/PVDF复合层，所述BT/PVDF复合层为掺杂钛酸钡纳米颗粒的聚偏氟乙烯基复合层，BN/PVDF复合层为掺杂二维氮化硼纳米片的聚偏氟乙烯基复合层。2.根据权利要求1所述的非对称三明治结构PVDF基复合薄膜，其特征在于，所述BN/PVDF复合层中二维氮化硼纳米片的体积分数为1％～7％。3.根据权利要求1所述的非对称三明治结构PVDF基复合薄膜，其特征在于，室温下，所述复合薄膜的储能密度在17.31～22.72J
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‑3之间。4.权利要求1
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3任一项所述的非对称三明治结构PVDF基复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二维氮化硼纳米片和聚合物PVDF粉末分散在DMF中，得到悬浊液C，所得悬浊液C通过流延法在基底上流延形成BN/PVDF复合层；将P(VDF
‑
HFP)粉末分散在DMF中，得到溶液B，所得溶液B通过流延法在BN/PVDF复合层上流延形成P(VDF
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HFP)聚合物层；将BaTiO3纳米颗粒和聚合物PVDF粉末分散在DMF中，得到悬浊液A，所得悬浊液A通过流延法在P(VDF
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HFP)聚合物层上流延形成BT/PVDF复合层。5.根据权利要求4所述的非对称三明治结构PVDF基复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述二维氮化硼纳米片的制备方法包括：将六...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海波，张永靖，林营，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
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