CN101508841B - 电容器用柔性聚合物介电材料及制备 - Google Patents

电容器用柔性聚合物介电材料及制备 Download PDF

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Abstract

一种电容器用柔性聚合物介电材料及制备。该材料为含氟类聚合物与尼龙的共混材料，其中含氟类聚合物为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物中任一种；尼龙为PA7、PA9、PA11、PA7/PA9、PA7/PA11、PA9/PA11、PA7/PA9/PA11中任一种。尼龙与含氟聚合物体积比为10％～90％∶90％～10％。其制备步骤：1)将尼龙与含氟聚合物按10％～90％∶90％～10％的体积在混合设备中150～230℃，转速为15～50r/min条件下进行混合，自然冷却；2)将步骤1)得到的混合料在模具中压制成型，模压温度为150～230℃，模压压力10～25MPa，压制时间为15～30min，压制好的混合料保压冷却，即得。该材料力学性能好、介电常数较高，调节尼龙与含氟聚合物配比，可以调整材料的所需性能，特别适合于制备薄膜介电材料。

Description

电容器用柔性聚合物介电材料及制备
技术领域
本发明涉及一种电容器用柔性介电材料及制备方法。特别涉及一种电容器用柔性聚合物介电材料及制备方法。
技术背景
介电材料由于具有很好的储存电荷和均匀电场的能力，因此作为一种功能独特、应用广泛的功能材料，在电子、电机和电缆等行业中发挥着不可替代的作用。特别是近年来电子设备的发展日新月异，电容器也向高储能、小型化、环境友好以及成型灵活等方向发展。柔韧性好、灵活加工，同时具有良好介电性能的柔性介电材料已经成为目前研究的焦点。
目前，柔性介电材料主要是陶瓷与聚合物复合材料。这种材料结合了陶瓷的高介电性能和聚合物的绝缘电阻高、加工性能好、介电损耗小的优点。目前从材料的结构设计到介电器件的开发，都已经得到了长足的发展。但是这种陶瓷与聚合物介电复合材料性能并不理想。这是由于用于制备介电复合材料的陶瓷相主要是钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(PZT)，或者是无铅陶瓷钛酸钡(BaTiO3)、多元陶瓷铌镁酸铅等；聚合物主要涉及含氟类聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)等、环氧树脂等。陶瓷与聚合物复合材料若保持高的介电性能，陶瓷体积分数必须在50％以上，但是陶瓷相与作为聚合物相的含氟类聚合物或环氧树脂基体界面结合极差，很难使复合材料具有理想的成型性能，特别是薄膜式电容器的开发，一直是目前电容器发展的瓶颈。陶瓷与聚合物复合材料难以制备成均匀的薄膜，使电容器的容量受到很大限制，从而影响了它在很多领域的应用。
随着膜技术应用范围不断的扩大，聚合物是制备薄膜制品的理想材料。由于聚合物分子链的自身结构特点，导致聚合物本身的介电常数很低，很难作为介电材料来使用。采用共混工艺，调控共混薄膜的微观结构，有望制备出具有高介电性能的柔性电容器用材料，从而解决目前薄膜电容器发展的瓶颈问题。
这种高分子合金电容器材料，与传统的电容器用无机物/聚合物复合材料(陶瓷/聚合物复合材料)相比，没有明显的相界面，因此保证了薄膜材料对柔性的要求；同时，由于电容器的比电容与介质厚度的平方成反比，所以当介电常数相同时，有机介质电容器的比电容较无机介质电容器的比电容大得多，这有利于实现产品的小型化，满足目前电容器、电子器件和水声换能器等领域的材料要求。
发明内容
本发明提供一种电容器用柔性聚合物介电材料及制备方法，其材料基体为聚偏氟乙烯与尼龙的共混材料。该介电材料可解决目前陶瓷/聚合物复合材料两相界面结合差、机械性能差等问题，是一类新型的柔性高介电材料。
适用于本发明的一种电容器用柔性聚合物介电材料，由含氟类聚合物和尼龙的制成，其中尼龙与含氟聚合物体积比例为10％～90％∶90％～10％，所述的含氟类聚合物为聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物P(VDF-TeFE)中任一种；尼龙为聚(ω-庚内酰胺)(PA7)、聚-ω-氨基壬酸(PA9)、聚ω-氨基十一酸(PA11)、聚(ω-庚内酰胺)与聚-ω-氨基壬酸共聚物(PA7/PA9)、聚(ω-庚内酰胺)与聚ω-氨基十一酸共聚物(PA7/PA11)、聚-ω-氨基壬酸/聚ω-氨基十一酸(PA9/PA11)共聚物，聚(ω-庚内酰胺)、聚-ω-氨基壬酸和聚ω-氨基十一酸的三元共聚物(PA7/PA9/PA11)中任一种。
本发明的电容器用柔性聚合物介电材料的制备方法，制备步骤包括：
1)将尼龙与含氟聚合物按10％～90％∶90％～10％的体积在混合设备中150～230℃，转速为15～50r/min条件下进行混合，自然冷却；
2)将步骤1)得到的混合料在模具中压制成型，模压温度为150～230℃，模压压力10～25MPa，压制时间为15～30min，压制好的混合料保压冷却，即制得两种聚合物的合金材料，即电容器用柔性聚合物介电材料。
本发明所制备的柔性介电材料力学性能好，拉伸强度在20MPa以上、介电常数较高，可以成型为不同厚度、不同形状的电容器用介电材料。通过调节尼龙与含氟聚合物体积比，即可制得所需介电常数和拉伸强度的电容器用柔性聚合物介电材料。
可以根据使用要求，将该柔性聚合物介电材料压制成不同厚度和形状的样品，如压制成不同厚度和形状的薄膜等。
将压制好的样品制备成圆片状试样，测试直径与厚度。在样品表面均匀涂上一层银，在介电频谱仪上测试样品的介电常数。
根据GB/T 1040-1992标准，在万能材料试验机上测试材料的拉伸性能。
附图说明
图1是尼龙11与聚偏氟乙烯((PA11/PVDF)两相复合材料的介电常数与尼龙11体积分数的关系曲线。
从图1可以看出合金材料的介电常数高于20，最大达到40。
图2是尼龙11与聚偏氟乙烯((PA11/PVDF)两相复合材料的拉伸强度与尼龙11体积分数的关系曲线。
从图2可以看出合金材料的拉伸强度超过20MPa。
具体实施方式
实施例1：按体积比将20％PA11和80％PVDF粉末，在密炼机中，180～190℃，15～20r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，180～200℃、10～15MPa下模压30min，再保压冷却，即制备出PA11/PVDF合金材料，合金介电常数能达到30。
实施例2：按体积比将40％PA9和60％PVDF粉末，在密炼机中180～200℃，转速为40～50r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，190～205℃、10～15MPa下模压30min，再保压冷却，制备出PA9/PVDF合金材料，合金介电常数能达到27。
实施例3：按体积比将90％PA7和10％PVDF粒料，在密炼机中200～220℃，转速为15～30r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，210～220℃，压力20MPa下模压20min，再保压冷却，制备出PA7/PVDF合金材料，合金介电常数能达到35。
实施例4：按体积比将20％PA7/PA9/PA11和80％PVDF粉料，在密炼机中中180～220℃，转速为15～30r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，190～220℃，压力15MPa下模压20min，再保压冷却，制备出PA7/PA9/PA11/PVDF合金材料，合金介电常数能达到52。
实施例5：按体积比将10％PA7/PA9/PA11和90％聚偏氟乙烯-三氟乙烯粉料，在密炼机中150～180℃，转速为20～40r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，160～190℃，压力15～20MPa下模压20min，再保压冷却，制备出PA7/PA9/PA11/聚偏氟乙烯-三氟乙烯合金材料，合金介电常数能达到44。
实施例6：按体积比将90％PA7/PA9和10％偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物，在密炼机中150～170℃，转速为20～40r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，160～190℃，压力15MPa下模压20min，再保压冷却，制备出PA7/PA9/偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物合金材料，合金介电常数能达到32。
实施例7：按体积比将10％PA7/PA11和90％偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物，在密炼机中160～180℃，转速为15～30r/min条件下充分混合均匀；在平板硫化机上，180～190℃，压力15MPa下模压20min，再保压冷却，制备出PA7/PA11/偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物合金材料，合金介电常数能达到38。

Claims (4)

1.一种电容器用柔性聚合物介电材料，其特征在于，该聚合物介电材料由含氟类聚合物和尼龙制成，其中，尼龙与含氟聚合物体积比为10％～90％∶90％～10％，所述的含氟类聚合物为偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物中任一种；尼龙为聚(ω-庚内酰胺)、聚-ω-氨基壬酸、聚(ω-庚内酰胺)与聚-ω-氨基壬酸共聚物、聚(ω-庚内酰胺)与聚ω-氨基十一酸共聚物、聚-ω-氨基壬酸/聚ω-氨基十一酸共聚物，聚(ω-庚内酰胺)、聚-ω-氨基壬酸和聚ω-氨基十一酸的三元共聚物中任一种；该聚合物介电材料，制备步骤包括：
1)将尼龙与含氟聚合物按10％～90％∶90％～10％的体积在混合设备中150～230℃，转速为15～50r/min条件下进行混合，自然冷却；
2)将步骤1)得到的混合料在模具中压制成型，模压温度为150～230℃，模压压力10～25MPa，压制时间为15～30min，压制好的混合料保压冷却，即制得电容器用柔性聚合物介电材料。
2.根据权利要求1所述的电容器用柔性聚合物介电材料，其特征在于，在所述的尼龙与含氟聚合物体积比例范围内，调节两者的体积比例，即制得所需介电常数和拉伸强度的电容器用柔性聚合物介电材料。
3.根据权利要求1所述的电容器用柔性聚合物介电材料，其特征在于，所述的压制成型，根据电容器使用要求，将其柔性聚合物介电材料压制成不同厚度和形状的介电材料。
4.根据权利要求3所述的电容器用柔性聚合物介电材料，其特征在于，根据电容器使用要求，将其柔性聚合物介电材料压制成不同厚度和形状的薄膜介电材料。
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