[發明專利]一種高介電、低損耗和高擊穿強度的聚偏氟乙烯基復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202111055221.5
• 申請日: 2021-09-09
• 公開（公告）號: CN113773536A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 翁凌;許子祺;關麗珠;王小明
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08L27/16;C08K9/06;C08K3/24;C08K7/18;H01G4/18
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明公開了一種高介電、低損耗和高擊穿強度的聚偏氟乙烯基復合材料及其制備方法和應用，屬于高性能電容器和儲能器件等應用領域。本發明要解決PVDF介電常數有限難以滿足電容器和儲能器件對高介電性能要求的技術問題。本發明是先用硅烷偶聯劑改性的納米鈦酸鉍鈉，納米鈦酸鉍鈉的形貌為球狀，以聚偏氟乙烯作為基體；方法：將硅烷偶聯劑改性的納米鈦酸鉍鈉加入N,N?二甲基甲酰胺中，超聲攪拌2h，加入聚偏氟乙烯粉末，超聲攪拌反應2h；鋪膜，烘干；熱壓。本發明用于制作電容器和儲能器件。

技術領域

本發明屬于高性能電容器和儲能器件等應用領域；具體涉及一種高介電、低損耗和高擊穿強度的聚偏氟乙烯(PVDF)基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

電介質電容器因具有超快的充放電速度、高的功率密度、低損耗等特點，有望成為在儲能電容器上最有發展前景的器件。目前，介電電容器已經廣泛應用于新能源發電系統、混合動力汽車、航空航天設備及電磁脈沖系統等領域，并且隨著科技的快速進步，對高性能電子元器件進一步柔性化、微型化及低成本的需求也變得更加迫切。

大多數介電聚合物，雖然具有抗擊穿場強高、低成本、易加工、柔韌性好及輕質等優勢，但是往往具有較低的介電常數，難以達到更高的性能要求，因此限制了高能量密度電介質的開發和應用。傳統的無機電介質，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈦酸銅鈣等陶瓷粒子，雖具有較高的相對介電常數，但其擊穿場強較低，且不易大面積成膜。于是研究轉向了聚合物基介電復合材料，以便于加工、柔韌性好及抗擊穿場強高的聚合物為基體，加入具備超高介電常數的介電陶瓷為填充相，最終使得制備而成的聚合物基復合材料擁有二者的優點，最終使得材料的介電性能和抗擊穿場強同時得到提升。

但是由于這兩相之間的性質差異較大，相容性不夠好，并且高含量的陶瓷粉體極易團聚，在復合材料內部形成大量的孔洞，會使復合材料的介電常數和耐擊穿場強有所下降。為了克服這些問題，一個有效的方法是選擇使用合適的偶聯劑對無機填料進行表面改性，從而改善填料與聚合物基質之間的相容性，使填料均勻分散。從而獲取一種高介電常數，低介電損耗，高擊穿強度的聚合物基復合材料。

聚偏氟乙烯(PVDF)因其獨特的晶體結構，而具有良好的介電性能，是目前聚合物儲能領域應用較廣的聚合物之一。同時PVDF也具有良好的柔韌性、熱穩定性等優異的性能，但是聚偏氟乙烯是一種熱塑性聚合物，有限的介電常數滿足不了高性能電容器和儲能器件對材料高介電性能的要求。

發明內容

本發明要解決PVDF介電常數有限難以滿足電容器和儲能器件對高介電性能要求的技術問題；而提出了一種高介電、低損耗和高擊穿強度的聚偏氟乙烯基復合材料及其制備方法和應用。

為解決上述技術問題，本發明的高介電、低損耗和高擊穿強度的聚偏氟乙烯基復合材料的摻雜相是先用硅烷偶聯劑改性的納米鈦酸鉍鈉，納米鈦酸鉍鈉的形貌為球狀，以聚偏氟乙烯作為基體；其制備方法具體是按下述步驟進行的：步驟一、將硅烷偶聯劑改性的納米鈦酸鉍鈉加入N,N-二甲基甲酰胺中，超聲攪拌2h，加入聚偏氟乙烯粉末，超聲攪拌反應2h，得到膠液；步驟二、將所得的膠液在鋪膜機上鋪膜，烘干；步驟三、將所得薄膜在平板硫化機上熱壓，得到所述復合材料。

進一步地限定，摻雜相的含量是聚偏氟乙烯質量的15％-30％。

進一步地限定，所述鈦酸鉍鈉的直徑為150nm～200nm；

進一步地限定，所述鈦酸鉍鈉以五水硝酸鉍作為鉍源，以鈦酸四丁酯作為鈦源，以氫氧化鈉作為鈉源同時作為礦化劑，利用水熱法制備的；其中，水熱反應溫度為150℃-180℃，水熱反應時間為20h-24h。

進一步地限定，所述摻雜相是將納米鈦酸鉍鈉在95％(體積)乙醇溶液下超聲攪拌2h，然后在50℃-80℃下滴加硅烷偶聯劑，加熱攪拌6h-8h，再依次用乙醇或去離子水反復洗滌，干燥，得到偶聯劑改性的鈦酸鉍鈉，硅烷偶聯劑的用量是納米鈦酸鉍鈉質量分數的1％-3％。

進一步地限定，步驟二在80℃下烘干2h。