CN109727772A

CN109727772A - 一种层间复合聚合物介质膜及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109727772A
Application number: CN201910060299.2A
Authority: CN
Inventors: 赵月涛; 周榆久
Original assignee: Chengdu Story Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Story Technology Co Ltd
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明提供了一种层间复合聚合物介质膜及其制备方法和应用。本发明复合膜包括低介电聚合物层以及高介电聚合物层；其中，所述低介电聚合物层包括：双向拉伸聚合物膜；所述高介电聚合物层包括：高介电聚合物流延成型膜。本发明层间复合聚合物介质膜既具备低介电聚合物层优异的绝缘性能和耐压性能，也类似高介电聚合物层具备较高的介电常数，同时具备较高的储能密度和较高的充放电效率，并且介电损耗也较低，是一种性能优异的有机薄膜电容器介质膜。

Description

一种层间复合聚合物介质膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及有机薄膜电容器介质膜领域，具体而言，涉及一种层间复合聚合物介质膜及其制备方法和应用。

背景技术

有机薄膜电容器是以有机薄膜做介质，以金属箔或金属薄膜做电极，通过卷绕或叠片的方式制成，其基本构成包括电介质绝缘膜、电极及引出电极、卷绕层之间的液体浸渍剂等三部分。

目前，有机薄膜电容器常用的聚合物膜有聚丙烯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚苯硫醚膜、聚碳酸酯膜和聚萘二甲酸乙二醇酯膜等。这些聚合物介质膜的相对介电常数都较低，一般不超过3.3。这些聚合物介质膜中最常用的是双向拉伸聚丙烯膜，其相对介电常数只有2.2，这就造成很多电容器的体积太大，限制了电气设备的小型化和轻型化。有数据统计显示，电容器可以占到电路无源器件体积的60％～70％，又如在电动车和光伏产业中常用的逆变器，其中直流总线电容器可占用逆变器体积的35％和逆变器重量的23％左右。

近年来，有人尝试使用相对介电常数较高的聚偏氟乙烯膜(相对介电常数8～12)作为有机薄膜电容器的介质膜，但这些高介电材料的充放电效率较低(<70％)，并且介电损耗也偏高，没能成为有机薄膜电容器介质膜的主流材料。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种同时具备高储能密度、高充放电效率的层间复合聚合物介质膜。

本发明的第二目的在于提供一种所述的层间复合聚合物介质膜的制备方法。

本发明第三目的在于提供一种所述的层间复合聚合物介质膜的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种层间复合聚合物介质膜，包括：低介电聚合物层以及高介电聚合物层；其中，所述低介电聚合物层包括：双向拉伸聚合物膜；所述高介电聚合物层包括：高介电聚合物流延成型膜。

优选的，本发明层间复合聚合物介质膜中，所述双向拉伸聚合物膜包括：聚丙烯膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，聚苯硫醚膜，聚碳酸酯膜，以及聚萘二甲酸乙二醇酯膜中的至少一种。

优选的，本发明层间复合聚合物介质膜中，所述低介电聚合物膜的低介电聚合物层的厚度为1～10μm。

优选的，本发明层间复合聚合物介质膜中，高介电聚合物包括：聚偏氟乙烯及其共聚物，奇数尼龙，以及氰基聚合物中的一种或者多种。

优选的，本发明层间复合聚合物介质膜中，高介电聚合物层的厚度为1～10μm。

同时，本发明还提供了一种层间复合聚合物介质膜的制备方法，包括：将溶有高介电聚合物的溶液流延于低介电聚合物层的表面，驱除溶剂后收卷，然后真空加热，得到层间复合聚合物介质膜。

优选的，本发明所述的制备方法中，包括：将高介电聚合物溶解在溶剂中并搅拌，真空除泡，以得到溶有高介电聚合物的溶液。

优选的，本发明所述的制备方法中，所述溶剂包括：DMF，DMAc，NMP，以及DMSO中的一种或多种。

进一步的，本发明还提供了包含本发明层间复合聚合物介质膜的有机薄膜电容器。

同样的，本发明也提供了包含本发明有机薄膜电容器的装置或设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明中，将低介电聚合物优异的绝缘性能和耐压性能与高介电聚合物的高介电常数相结合，所得到的层间复合聚合物介质膜储能密度高、充放电效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明层间复合聚合物介质膜的结构示意图；

图2是本发明层间复合聚合物介质膜的制备流程示意图；

图3是不同种类PVDF基三元共聚物/聚丙烯复合膜的介电频谱图；

图4是不同种类PVDF基三元共聚物/聚丙烯复合膜的充放电效率；

图5是P(VDF-TrFE-CFE)层厚度不同的P(VDF-TrFE-CFE)/PP复合膜的介电频谱图；

图6是P(VDF-TrFE-CFE)层厚度不同的P(VDF-TrFE-CFE)/PP复合膜的充放电效率。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明所提供的层间复合聚合物介质膜，是由低介电聚合物层以及高介电聚合物层复合而成，由于所用高介电聚合物层具有一定的粘合性，因而可以与低介电聚合物层形成稳定的复合结构。

具体的，在本发明的一些实施方案中，所提供的层间复合聚合物介质膜结构可参见图1，其为低介电聚合物层与高介电聚合物层的复合膜层结构，具体的。

其中，低介电聚合物层用于提升复合介质膜的绝缘性能和耐压性能，其具体为双向拉伸聚合物膜(介电常数通常低于3.3)，举例包括，但不限于：聚丙烯膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，聚苯硫醚膜，聚碳酸酯膜和聚萘二甲酸乙二醇酯膜等常用电容器介质膜中的一种或几种的组合(优选为单一成分膜)；

如上低介电聚合物层的厚度为1～10μm，例如可以为，但不限于2、3、4、5、6、7、8，或者9μm。

高介电聚合物层(介电常数通常高于5)通过流延工艺形成(具体由高介电聚合物溶液流延于低介电聚合物层形成)，用于提升复合介质膜的介电常数(储能密度)，用以形成高介电聚合物层的原料聚合物为具有一定粘合性的高介电聚合物，从而能够在流延成型后，与低介电聚合物层具有良好的粘合和复合性能。高介电聚合物具体包括，但不限于：聚偏氟乙烯，偏氟乙烯共聚物(例如PVDF基三元共聚物溶液，如聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯)(P(VDF-TrFE-CTFE))，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)(P(VDF-TrFE-CFE))等)，奇数尼龙，氰基聚合物中的一种或者多种；

如上高介电聚合物层的厚度为1～10μm，例如可以为，但不限于2、3、4、5、6、7、8，或者9μm。

下面将接合图2详细说明本发明层间复合聚合物介质膜的制备方法：

首先，按照设计浓度称量一定质量的高介电聚合物和对应体积的溶剂，混合后长时间搅拌，形成澄清透明的高介电聚合物溶液，真空除泡；

然后将高介电聚合物溶液流延在双向拉伸低介电聚合物膜表面，在设计温度下(通常是溶剂沸点以下的温度)驱除溶剂，收卷后，在高真空下继续加热8～12小时，驱除介质膜中残留的溶剂。

本发明的一些实施方案中，所用溶剂可以包括N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)和丙酮等中的一种或者多种。

由如上方法所制备的层间复合聚合物介质膜具备低介电聚合物层优异的绝缘性能和耐压性能，也类似高介电聚合物层具备较高的介电常数，同时具备较高的储能密度和较高的充放电效率，并且介电损耗也较低，因而可以进一步用于制备有机薄膜电容器，减小有机薄膜电容器的体积和重量。

本发明所提供的有机薄膜电容器结构可参考现有有机薄膜电容器，即以金属箔或金属化薄膜做电极，通过卷绕或叠片的方式制成。其基本构成同样也包括电介质绝缘膜(即本发明层间复合聚合物介质膜)，电极以及引出电极，卷绕层之间的液体浸渍剂等三部分。

进一步的，还可以将本发明如上结构的有机薄膜电容器用于对应的装置或设备中，例如各类逆变器、电力电容、跨线滤波电容器、平滑滤波电容器、谐振电容器、三角滤波器等。

实施例1

在6μm厚的PP膜上分别流延一层液膜厚度150μm、质量分数15％的PVDF基三元共聚物溶液；

然后，在60℃条件下驱除溶剂，收卷后，在高真空下继续加热8～12小时，驱除介质膜中残留的溶剂，得到层间复合聚合物介质膜。

分别以PVDF基三元共聚物P(VDF-TrFE-CTFE)以及P(VDF-TrFE-CFE)为原料，所得层间复合聚合物介质膜中，P(VDF-TrFE-CTFE)层的厚度约为5.7μm，P(VDF-TrFE-CFE)层的厚度约为5.8μm。

分别对两种不同的复合膜进行性能检测，结果分别如图3和图4所示，图3及图4中，PP的厚度为6μm，P(VDF-TrFE-CTFE)/PP和P(VDF-TrFE-CFE)/PP分别为实施例1如上所制备的产品复合模。

图3是不同种类PVDF基三元共聚物/聚丙烯复合膜的介电频谱图。由

图3检测结果可知，在1kHz的测试频率下，PP膜、P(VDF-TrFE-CTFE)/PP复合膜、P(VDF-TrFE-CFE)/PP复合膜的ε_r′分别为1.98、3.65、3.82。由此可见，复合膜的ε_r′相比PP膜提升近两倍，在相同的工作电压下，电容器的体积将缩小至传统电容器的1/2。

图4是不同种类PVDF基三元共聚物/聚丙烯复合膜的充放电效率。由

图4检测结果可知，三种介质膜的充放电效率都很高，在本文的测试电场范围均高于97％。在1000kV/cm的外加电场下，PP膜、P(VDF-TrFE-CTFE)/PP复合膜、P(VDF-TrFE-CFE)/PP复合膜的充放电效率分别为98.68％、98.40、97.78％。由此可见，复合膜的充放电效率与PP膜接近，完全满足电容器的应用要求。

实施例2

参照实施例1的方法，在2.5μm厚的PP膜上，分别流延不同浓度的P(VDF-TrFE-CFE)溶液，以形成P(VDF-TrFE-CFE)层厚度分别为2.5μm、3.8μm、5.2μm的复合膜，所得样品分别记为A、B、C。

分别对于复合膜样品A、B、C进行性能测试，同时，以厚度为2.5μm的PP膜作为对照组，进行性能对照测试。结果分别如图5、图6所示。

图5是P(VDF-TrFE-CFE)层厚度不同的P(VDF-TrFE-CFE)/PP复合膜的介电频谱图。由图5的检测结果可知，在1kHz的测试频率下，PP膜、复合膜A、复合膜B、复合膜C的ε_r′分别为1.90、3.63、4.50、5.34。由此可见，复合膜C的ε_r′相比PP膜提升近2.8倍，在相同的工作电压下，电容器的体积将缩小至传统电容器的35％。

图6是P(VDF-TrFE-CFE)层厚度不同的P(VDF-TrFE-CFE)/PP复合膜的充放电效率。由图6检测结果可知，在1000kV/cm的外加电场下，PP膜、复合膜A、复合膜B、复合膜C的充放电效率分别为99.55％、98.03％、97.72％、96.63％。由此可见，复合膜的充放电效率与PP膜相差不大，完全满足电容器的应用要求。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种层间复合聚合物介质膜，其特征在于，包括：低介电聚合物层以及高介电聚合物层；

其中，所述低介电聚合物层包括：双向拉伸聚合物膜；

所述高介电聚合物层包括：高介电聚合物流延成型膜。

2.根据权利要求1所述的层间复合聚合物介质膜，其特征在于，所述双向拉伸聚合物膜包括：

聚丙烯膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，聚苯硫醚膜，聚碳酸酯膜，以及聚萘二甲酸乙二醇酯膜中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的层间复合聚合物介质膜，其特征在于，所述低介电聚合物膜的低介电聚合物层的厚度为1～10μm。

4.根据权利要求1所述的层间复合聚合物介质膜，其特征在于，高介电聚合物包括：

聚偏氟乙烯及其共聚物，奇数尼龙，以及氰基聚合物中的一种或者多种。

5.根据权利要求4所述的层间复合聚合物介质膜，其特征在于，高介电聚合物层的厚度为1～10μm。

6.一种层间复合聚合物介质膜的制备方法，其特征在于，包括：将溶有高介电聚合物的溶液流延于低介电聚合物层的表面，驱除溶剂后收卷，然后真空加热，得到层间复合聚合物介质膜。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，包括：将高介电聚合物溶解在溶剂中并搅拌，真空除泡，以得到溶有高介电聚合物的溶液。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括：DMF，DMAc，NMP，以及DMSO中的一种或多种。

9.包含本发明权利要求1-4中任一项所述的层间复合聚合物介质膜的有机薄膜电容器。

10.包含权利要求9所述有机薄膜电容器的装置或设备。