【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电介质，具体涉及一种纳米复合电介质薄膜及其制备方法。
技术介绍
1、随着新能源的并网，薄膜电容器因其快速充放电和高功率密度特性，已广泛应用在智能电网领域。然而，目前商用薄膜电容器的储能介质是双向拉伸聚丙烯(biaxiallyoriented polypropylene,bopp)，其2～3j/cm3的低储能密度难以满足电力设备向小型化、轻量化的发展需求，因而亟需大幅提升介电聚合物的储能密度。
2、由公式可知，电介质薄膜的储能密度(ue)由电介质的相对介电常数(εr)和击穿场强(eb)决定，所以提高储能密度需要提高εr和eb。bopp的内部分子结构决定了其相对介电常数较低(～2.2)，现阶段主要通过共混改性引入极性基团来提升其相对介电常数，但是极性基团的引入也导致了高弛豫损耗和低充放电效率。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种纳米复合电介质薄膜及其制备方法，以提高纳米复合电介质薄膜的击穿场强和储能密度。
2、本专利技术采用如下技术方案来实现的：
3、本专利技术的第一方面提供了一种纳米复合电介质薄膜，由绝缘基体和掺杂纳米粒子组成，其中，绝缘基体的材料为乙烯/苯乙烯梯度共聚物，掺杂纳米粒子为氧化铝纳米粒子，基于纳米复合电介质薄膜的质量，氧化铝纳米粒子的质量百分含量为0.5％～3％；乙烯/苯乙烯梯度共聚物由乙烯/苯乙烯交替序列、间规聚苯乙烯序列及聚乙烯序列组成，乙烯/苯乙烯梯度共聚物中苯乙烯结构单元的摩尔百分含量为15％～45％，乙烯
4、
5、其中，x，y，z，m和n均为大于1的整数。通过调控掺杂纳米粒子的质量百分含量在上述范围内，有利于提高纳米复合电介质的击穿场强和储能密度。
6、在本专利技术的一些实施方案中，乙烯/苯乙烯梯度共聚物的重均分子量为51.04万～65.23万，聚合物分散性指数为1.3～1.6。
7、在本专利技术的一些实施方案中，氧化铝纳米粒子为γ相al2o3，平均粒径为10nm～20nm，在本专利技术中，氧化铝纳米粒子可以通过购买得到。
8、在本专利技术的一些实施方案中，纳米复合电介质薄膜的厚度为10μm～25μm。通过调控纳米复合电介质薄膜的厚度在上述范围内，有利于提高纳米复合电介质的击穿场强和储能密度。
9、在本专利技术的一些实施方案中，纳米复合电介质薄膜在20℃时的击穿场强为700kv/mm～780kv/mm，最大储能密度为6j/cm3～8.6j/cm3。
10、本专利技术的第二方面提供了一种如第一方面所述的纳米复合电介质薄膜的制备方法，包括以下步骤：用硅烷偶联剂对掺杂纳米粒子表面进行修饰，得到氨基化的掺杂纳米粒子，其中，掺杂纳米粒子和硅烷偶联剂的固液比为1g:(0.25ml～1ml)；将包括氨基化的掺杂纳米粒子的第一悬浊液与包括乙烯/苯乙烯梯度共聚物的第一溶液混合均匀，得到第二悬浊液，其中，第二悬浊液中氨基化的掺杂纳米粒子与乙烯/苯乙烯梯度共聚物的质量比为(0.005g～0.031g):1g；将第二悬浊液涂覆于基板，烘干冷却至室温后，浸于水中剥离得到所述纳米复合电介质薄膜。
11、在本专利技术的一些实施方案中，用硅烷偶联剂对掺杂纳米粒子表面进行修饰包括：将掺杂纳米粒子烘干后，加入无水乙醇，超声分散，加入硅烷偶联剂并加热至60℃至80℃以100rpm至500rpm的转速搅拌10h至12h，得到第三悬浊液；将第三悬浊液离心，倒去上层无水乙醇溶液得到沉淀物，先用去离子水洗涤沉淀物2至3次，再用无水乙醇离心洗涤沉淀物2至3次，将沉淀物烘干、研磨，得到氨基化的掺杂纳米粒子。通过硅烷偶联剂表面修饰掺杂纳米粒子，硅烷偶联剂可以在掺杂纳米粒子表面形成化学键，并在掺杂纳米粒子表面形成致密的覆盖层，防止掺杂纳米粒子因表面活性而聚集，从而提高掺杂纳米粒子的分散性；同时，硅烷偶联剂可以在掺杂纳米粒子与绝缘基体界面上形成亲和性更好的化学键，改善掺杂纳米粒子的界面性能。
12、在本专利技术的一些实施方案中，将包括氨基化的掺杂纳米粒子的第一悬浊液与包括乙烯/苯乙烯梯度共聚物的第一溶液混合均匀包括：将乙烯/苯乙烯梯度共聚物溶解于邻二氯苯中，加热至120℃～150℃并搅拌直至透明，得到第一溶液，其中，乙烯/苯乙烯梯度共聚物与邻二氯苯的固液比为1g:(10ml～20ml)；将氨基化的掺杂纳米粒子置于邻二氯苯中，超声搅拌分散，得到第一悬浊液，其中，氨基化的掺杂纳米粒子与邻二氯苯的固液比为(0.0005g～0.003g):1ml；将第一悬浊液倒入第一溶液中，加热至120℃至140℃以100rpm至500rpm的转速搅拌10h至12h。通过溶液混合法将掺杂纳米粒子与绝缘基体复合，有利于提高掺杂纳米粒子在绝缘基体中的分散性。
13、在本专利技术的一些实施方案中，硅烷偶联剂为kh550。
14、与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益的技术效果：
15、本专利技术提供的一种纳米复合电介质薄膜及其制备方法，通过硅烷偶联剂表面修饰掺杂纳米粒子，然后使掺杂纳米粒子均匀分散在乙烯/苯乙烯梯度共聚物中，经涂膜工艺制得纳米复合电介质薄膜。本申请专利技术人经研究发现，乙烯/苯乙烯梯度共聚物是一种具有高储能密度和高充放电效率的可溶性单组分聚合物，由于其梯度共聚控制策略使其具有丰富的微相界面，并且微相界面层厚度可控制在3-7nm，从而具有了聚合物纳米复合电介质的结构。而界面结构使迁移过程中的载流子受到极性基团陷阱的强库仑力作用，当库仑力足够大时，载流子有概率被陷阱捕获，载流子能量转移到原子或分子上，造成能量耗散，有利于提高击穿场强，因此乙烯苯乙烯梯度共聚物相比于bopp具有高击穿场强和高储能密度的优异性能。在此基础上，掺杂纳米粒子又引入一层界面，当掺杂纳米粒子含量较少时，粒子间距较大，形成独立的界面区结构，掺杂纳米粒子周围的电位分布对载流子的库伦作用力表现为增强的库伦陷阱效应，独立掺杂纳米粒子具有较大的比表面积，其成核结晶能力较强，与乙烯/苯乙烯梯度共聚物分子的相互作用使得掺杂纳米粒子周围的分子重新规整构象并形成晶区，所得复合电介质的双层界面进一步提高了其击穿场强和储能密度。而且10μm乙烯/苯乙烯梯度共聚物掺杂纳米氧化铝薄膜的成功制备为乙烯/苯乙烯共聚物在电容器中的应用提出新的展望，加速其在电容器制造领域和工程应用中的发展。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种纳米复合电介质薄膜，其特征在于，由绝缘基体和掺杂纳米粒子组成，其中，所述绝缘基体的材料为乙烯/苯乙烯梯度共聚物，所述掺杂纳米粒子为氧化铝纳米粒子，基于所述纳米复合电介质薄膜的质量，所述氧化铝纳米粒子的质量百分含量为0.5％～3％；
2.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述乙烯/苯乙烯梯度共聚物的重均分子量为51.04万～65.23万，聚合物分散性指数为1.3～1.6。
3.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述氧化铝纳米粒子为γ相Al2O3，平均粒径为10nm～20nm。
4.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述纳米复合电介质薄膜的厚度为10μm～25μm。
5.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述纳米复合电介质薄膜在20℃时的击穿场强为700kV/mm～780kV/mm，最大储能密度为6J/cm3～8.6J/cm3。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的纳米复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将包括所述氨基化的掺杂纳米粒子的第一悬浊液与包括所述乙烯/苯乙烯梯度共聚物的第一溶液混合均匀包括：
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH550。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米复合电介质薄膜，其特征在于，由绝缘基体和掺杂纳米粒子组成，其中，所述绝缘基体的材料为乙烯/苯乙烯梯度共聚物，所述掺杂纳米粒子为氧化铝纳米粒子，基于所述纳米复合电介质薄膜的质量，所述氧化铝纳米粒子的质量百分含量为0.5％～3％；
2.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述乙烯/苯乙烯梯度共聚物的重均分子量为51.04万～65.23万，聚合物分散性指数为1.3～1.6。
3.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述氧化铝纳米粒子为γ相al2o3，平均粒径为10nm～20nm。
4.根据权利要求1所述的纳米复合电介质薄膜，其特征在于，所述纳米复合电介质薄膜的厚度为10μm～25μm。...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱远惟，刘捷，栗浩淼，李盛涛，刘波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。