CN108070096A - 一种聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,包括以下步骤:1)铸膜液制备:将聚偏氟乙烯树脂加入到有机溶剂中,加热搅拌溶解,得到铸膜液;2)薄膜制备:铸膜液通过涂布机在基材上涂布,进入三段烘箱干燥,干燥后进入水槽淬火,剥离棍剥离,定向热拉伸后退火,收卷,得到薄膜产品。本发明的制备工艺选用表面处理过的铝箔、聚酯薄膜等柔性耐高温材料作为涂布基材,采用集熔融淬火、拉伸退火于一体的流程化处理方法,避免了单一方法带来的缺点,为聚偏氟乙烯介电薄膜的工业化生产提供重要参考。本发明得到的聚偏氟乙烯薄膜β相含量高,厚度薄且均一,具有介电常数高、击穿强度大等优异性能,有望应用于高储能电子器件的制作。
Description
技术领域
本发明涉及介电材料领域,具体涉及一种聚偏氟乙烯介电薄膜的制备。
技术背景
聚偏氟乙烯(PVDF)树脂具有介电常数高、力学性能优异、耐腐蚀性能和阻燃性能良好等优异的综合性能,成为目前介电材料的研究热点,是最有可能代替传统应用于膜电容器制作的聚酯(PET)薄膜和聚丙(PP)烯薄膜的有机介电材料之一。
目前研究中,多侧重于PVDF基复合介电材料的制备,主要包括两种类型:一种如专利CN102558718B,在聚合物中填充高介电常数的陶瓷颗粒,制备陶瓷/聚合物两相复合物,但为了获得高的介电常数,陶瓷的填充量很高,导致复合材料难于加工成厚度很薄的薄膜,厚度一般在几百微米左右,且击穿电压较低;另一种如专利CN1322052C、CN101423645B和CN102627781B,基于渗流效应,同时在聚合物中填充导电颗粒和陶瓷,制备导电颗粒/陶瓷/聚合物三相复合物,此类复合物具有更高的介电常数,但介电损耗也较大,且同样存在所成薄膜厚度大、击穿电压低的问题。这些缺陷的产生,主要是由于研究者一味追求超高的介电常数,添加大量的无机填料所致。
事实上,相对于传统的PET和PP介电薄膜,PVDF树脂本身已具有较高的介电常数,不添加其它填料,只要制备出厚度较小的高质量纯PVDF薄膜,便具有较高的实际应用价值。对于PVDF树脂,其介电常数的主要贡献相是β相,因此,只要制备出高β相含量的薄膜,便可获得高介电常数的PVDF薄膜。目前,介电材料领域有关β相PVDF薄膜制备的研究较少,且存在较多缺陷。如左舜贵等(PVDF及其电解质的结构和性能研究,中南大学硕士论文,2011:18~25)研究了不同衬底、退火时间、退火温度等因素对于PVDF薄膜结构的影响,采用载玻片、导电玻璃和单晶硅为衬底,通过溶液流延法制备薄膜,熔融退火后,考察了不同温度对于介电常数的影响。退火时间为30小时,得到的薄膜介电常数最高为17.5。但由于文章所用衬底均为刚性材料,无法卷曲,因此,难以实现规模化生产,且退火时间过长,工业生产中难以实现连续化生产。此外,惠迎雪等(PVDF铁电聚合物薄膜的溶液法制备,材料科学与工程学报,2008,26(3):331~333)也采用溶液流延法制备了β相聚偏氟乙烯薄膜,研究了不同热处理条件和不同溶剂对薄膜晶相结构的影响,基材采用单晶硅。但文章所述方法不能制备厚度较薄的PVDF薄膜,且未经熔融处理,薄膜缺陷较多,采用刚性基材,难以实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种适合工业化生产的高β相含量PVDF介电薄膜的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
本发明提供的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)铸膜液制备:将聚偏氟乙烯树脂加入到有机溶剂中,加热搅拌溶解,得到铸膜液;
(2)薄膜制备:铸膜液通过涂布机在基材上涂布,进入三段烘箱干燥,干燥后进入水槽淬火,剥离棍剥离,定向热拉伸后退火,收卷,得到薄膜产品。
本发明中,制备铸膜液所选用的PVDF树脂的分子量为30~100万;所用有机溶剂包括但不限于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)和甲基吡咯烷酮(NMP);铸膜液中PVDF树脂的质量含量为10~30%。
本发明中,步骤(2)中所述通过涂布机涂布的涂布方式为刮刀涂布、狭缝挤出或微凹涂布,对于厚度为5μm以下的薄膜,优选微凹涂布。
本发明中,薄膜干燥时采用三段烘箱干燥工艺:第一段温度最低,薄膜进行表干固化;第二段温度稍高,有利于溶剂快速挥发干净,薄膜进行彻底干燥;第三段温度的设置一般在PVDF树脂的熔点以上,能够实现熔融自流平,消除前两段溶剂挥发不均匀而导致的薄膜缺陷。在一些实施方式中,第一段温度为65~130℃,优选80~100℃;第二段温度100~180℃,优选120~160℃;第三段温度为175~200℃。
本发明中,薄膜干燥之后需要立即进入水槽进行淬火处理,该步骤是获得β相的关键,淬火温度的选择控制在20~50℃。在一些实施方式中,淬火温度为20℃;在一些实施方式中,淬火温度为30℃;在另一些实施方式中,淬火温度为40℃;还在一些实施方式中,淬火温度为50℃。
本发明中,薄膜制备过程还包括对剥离后的薄膜进行定向热拉伸处理,拉伸处理一方面可以进一步提高PVDF薄膜中β相的含量,另一方面可以提高PVDF的结晶度,有利于其机械性能的提升。其中,拉伸温度和拉伸比是两个需要严格控制的技术参数。本发明中,拉伸温度的范围控制在80~160℃,拉伸比为1.5~10倍。在一些实施方式中,拉伸温度为120℃,拉伸比为5:1;在另一些实施方式中,拉伸温度为100℃,拉伸比为3:1;还在一些实施方式中,拉伸温度为80℃,拉伸比为10:1。
为消除薄膜热拉伸时产生的应力缺陷,本发明中对热拉伸之后的薄膜进行退火处理,退火的温度范围为80~180℃。在一些实施方式中,退火的温度为120℃;在另一些实施方式中,退火的温度为80℃。
本发明中涂布时选用的基材为柔性耐高温基材。所谓“耐高温”是指能耐PVDF树脂熔点以上的温度,优选耐180℃以上的基材,这样的基材包括但不限于铝箔、铜箔、钢带、聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜等。
本发明所用基材均经过表面处理,使基材表面具有合适的表面张力,既有助于薄膜流平,又使薄膜具有合适的剥离强度。表面处理的具体操作,包括以下步骤:
Ⅰ、对基材表面进行清洁处理,用丙酮或乙醇清洁除油;
Ⅱ、刷涂或喷涂一定量的表面活性剂或离型剂分散液;
Ⅲ、烘干除溶剂。
所用表面活性剂包括但不限于十二烷基硫酸盐、全氟辛酸盐等;所用离型剂包括但不限于聚乙烯醇、硅油、硅脂、液体石蜡等。
本发明涂布过程中,涂布设备的运行速度控制在0.5~5m/s,优选0.5~3m/s。
在一些实施方式中,所述真空干燥是指在45~75℃干燥2~4小时。
除非明确地说明于此相反,否则,本发明引用的所有范围包括端值,例如,“温度为65~130℃”,表示温度范围为65℃≤T≤130℃。
本发明使用的术语“或”表示备选方案,如果合适的话,可以将它们组合,也就是说,术语“或”包括每个所列出的单独备选方案以及它们的组合。例如,“所述溶剂为四氢呋喃、丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺”表示所述溶剂为四氢呋喃、丙酮、丁酮、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的一种,也可以是其一种以上的组合。
本发明的优点和优异效果在于:
(1)本发明采用集熔融淬火、拉伸退火于一体的流程化处理方法,避免了单一方法带来的缺点,且大大的缩短了热处理时间,为PVDF薄膜的工业化生产提供重要参考。
(2)该工艺中,薄膜在烘干阶段后期烘箱温度高于PVDF熔点,能够实现熔融自流平,消除薄膜缺陷,使薄膜具有较高的击穿强度。
(3)本发明采用铜箔、铝箔、聚酯薄膜等柔性耐高温基材,且对基材进行表面处理,使薄膜具有合适的剥离强度,可用涂布机实现连续化生产。
具体实施方式
以下所述的是本发明的具体实施方式,本发明所保护的不限于以下具体实施方式。应当指出,对于本领域的技术人员来说在此发明创造构思的基础上,做出的若干变形和改进,都属于本发明的保护范围。实施例中所用的原料均可以通过商业途径获得。
实施例1
称量100g PVDF(分子量40万)粉末,加入400g DMAc,50℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铝箔为基材,通过涂布机进行微凹涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为100℃、130℃和200℃;干燥之后进入温度为20℃、长度为4米的水槽进行淬火;剥离棍剥离后,在120℃下进行定向拉伸,拉伸比为5:1;然后进入长度为3米、温度为120℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试。测试结果见表1。
利用全反射红外光谱法测定PVDF薄膜的结晶构象,β相含量的测试,利用下述公式计算得到,
式中,F(β)是PVDF结晶相中β相的含量,Kα和Kβ是摩擦表面系数,分别是7.7×104cm2/mol和6.1×104cm2/mol,Aα为1185cm-1/处的红外吸收强度,Aβ为1085cm-1处的红外吸收强度。
实施例2
称量260g PVDF(分子量60万)粉末,加入1740g DMF,80℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用十二烷基硫酸钠表面处理的聚酯薄膜为基材,通过涂布机进行狭缝挤出后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为80℃、150℃和190℃;干燥之后进入温度为30℃、长度为4米的水槽进行淬火;剥离棍剥离后,在100℃下进行定向拉伸,拉伸比为3:1;然后进入长度为3米、温度为80℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
实施例3
称量70g PVDF(分子量50万)粉末,加入400g NMP,50℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铝箔为基材,通过涂布机进行逗号刮刀涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为130℃、160℃和200℃;干燥之后进入温度为50℃、长度为4米的水槽进行淬火;剥离棍剥离后,在80℃下进行定向拉伸,拉伸比为10:1;然后进入长度为3米、温度为160℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
实施例4
称量120g PVDF(分子量35万)粉末,加入400g DMAc,80℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铜箔为基材,通过涂布机进行逗号刮刀涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为80℃、160℃和190℃;干燥之后进入温度为40℃、长度为4米的水槽进行淬火;剥离棍剥离后,在120℃下进行定向拉伸,拉伸比为1.5:1;然后进入长度为3米、温度为120℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
实施例5
称量60g PVDF(分子量65万)粉末,加入400g NMP,50℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铝箔为基材,通过涂布机进行微凹涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为100℃、150℃和200℃;干燥之后进入温度为25℃、长度为4米的水槽进行淬火;剥离棍剥离后,在120℃下进行定向拉伸,拉伸比为7:1;然后进入长度为3米、温度为130℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
对比例1
称量100g PVDF(分子量40万)粉末,加入400g DMAc,50℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铝箔为基材,通过涂布机进行微凹涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为100℃、130℃和160℃;干燥之后进入温度为20℃、长度为4米的水槽进行淬火;剥离棍剥离后,在120℃下进行定向拉伸,拉伸比为5:1;然后进入长度为3米、温度为120℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
对比例2
称量100g PVDF(分子量40万)粉末,加入400g DMAc,50℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铝箔为基材,通过涂布机进行微凹涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱温度依次为100℃、130℃和200℃;自然冷却后经剥离棍剥离,在120℃下进行定向拉伸,拉伸比为5:1;然后进入长度为3米、温度为120℃的烘箱进行退火,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
对比例3
称量100g PVDF(分子量40万)粉末,加入400g DMAc,50℃搅拌溶解过夜,得到澄清透明的铸膜液。选取用硅脂表面处理的铝箔为基材,通过涂布机进行微凹涂布后进入三段长度依次为2米、5米和3米的烘箱进行干燥,三段烘箱的温度依次为100℃、130℃和200℃;干燥之后进入温度为20℃,长度为4米的水槽进行淬火;经剥离棍剥离,收卷后既得PVDF膜产品。
对得到的膜,参照标准GB/T-13542.3-2006进行膜厚、击穿强度、介电损失和介电常数(23℃,100Hz)测试,β相含量测试同实施例1,测试结果见表1。
表1:不同实施例及对比例配方制备的PVDF介电薄膜样品的性能
从表1可以看出,由本发明实施例技术方案得到的PVDF介电薄膜厚度小且质量均一,与对比例相比,β相含量高,具有较高的介电常数和击穿场强,综合性能优异。
Claims (10)
1.一种聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)铸膜液制备:将聚偏氟乙烯树脂加入到有机溶剂中,加热搅拌溶解,得到铸膜液;
(2)薄膜制备:铸膜液通过涂布机在基材上涂布,进入三段烘箱干燥,干燥后进入水槽淬火,剥离棍剥离,定向热拉伸后退火,收卷得到薄膜产品。
2.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述聚偏氟乙烯树脂的分子量为30~100万;所述铸膜液中聚偏氟乙烯树脂的质量含量为10~30%。
3.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述通过涂布机涂布的涂布方式为刮刀涂布、狭缝挤出或微凹涂布。
4.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述三段烘箱干燥中,第一段温度为65~130℃,第二段温度为100~180℃,第三段温度为175~200℃。
5.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述水槽淬火的淬火温度为20~50℃。
6.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述热拉伸温度为80~160℃,拉伸比为1.5~10倍。
7.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述退火温度为80~180℃。
8.根据权利要求1所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述基材为柔性耐高温基材,包括铝箔、铜箔、钢带、聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜。
9.根据权利要求1或8所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述基材为用表面活性剂或离型剂进行表面处理过的基材。
10.根据权利要求9所述的聚偏氟乙烯介电薄膜的制备方法,其特征在于,所述表面活性剂为十二烷基硫酸盐或全氟辛酸盐;所述离型剂为聚乙烯醇、硅油、硅脂或液体石蜡。
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