CN111808311A - 一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚丙烯‑聚偏氟乙烯复合金属化薄膜及其制备方法。将液态的聚偏氟乙烯按照一定厚度比例均匀涂覆在金属化聚丙烯薄膜基膜侧的表面；聚丙烯基膜的厚度为6μm；聚偏氟乙烯厚度为2～4μm。本发明获得的聚丙烯‑聚偏氟乙烯复合金属化薄膜在保证自愈性能的前提下，介电常数和储能密度同时得到显著提高。当选取本发明的聚丙烯/聚偏氟乙烯的厚度比时，储能密度提升最大，且介电损耗与纯聚丙烯相比保持不变。该技术为金属化薄膜电容器储能密度的提升提供了技术基础。
Description
技术领域
本发明属于电力电容器制备技术领域，尤其涉及一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜及其制备方法。
背景技术
金属化聚丙烯薄膜是电力电容器中运用最多的电工材料，它有工作场强高、介电损耗低、运行可靠性高等优点，但是它的介电常数低，限制了聚丙烯的储能，更限制了其进一步更广泛的应用。
现有技术多采用的方法是，对介质材料进行多层改性以构建多层复合体系，或者向材料中掺杂无机纳米粒子，构成纳米复合材料等，都是提高聚合物储能特性的一种方法，但这些方法均使得介电损耗增加明显，且自愈特性未知。
目前，聚丙烯高介电改性材料的自愈特性研究较多，但针对镀金属层后，金属化薄膜材料的自愈特性的研究几乎没有，因此，本领域技术人员致力于研究聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的自愈特性与储能特性间的平衡。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜及其制备方法，填补针对镀金属层后，金属化薄膜材料的自愈特性的研究的空白。
为实现上述目的，本发明提供了一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜，所述薄膜为聚偏氟乙烯/聚丙烯薄膜基膜/金属镀层结构。
本发明还提供了一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S100：制备聚偏氟乙烯溶液：
将聚偏氟乙烯粉末溶解在溶剂中并搅拌得到聚偏氟乙烯溶液；
S200、平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜，在所述金属化聚丙烯薄膜平整铺开后，在涂覆刮刀中加入所述聚偏氟乙烯溶液，设定所述平板涂膜机的速度和温度，在所述金属化聚丙烯薄膜未镀金属层的一面进行涂覆，得到聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜。
本发明的技术效果和优点：
本发明获得的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的介电常数得到显著提高，同时介质损耗很低，自愈特性优异；尤其当聚丙烯与聚偏氟乙烯的厚度比为6：4时，该聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的储能密度提升最大，提升了298％，且其介电损耗与纯聚丙烯的介电损耗相比基本保持不变，自愈可靠性高。该技术为自愈式电容器的储能密度提升提供了技术基础。
附图说明
图1为本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的结构示意图；
图2为本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的介电常数结果；
图3为本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的介电损耗结果图；
图4为本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的储能密度测试结果；
图5为本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的击穿场强测试结果；
注：PF2，PF4，PF6分别代表聚偏氟乙烯的厚度为2μm，4μm，6μm。
具体实施方式
如图1本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的结构示意图所示，本发明提供了一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜，所述薄膜为聚偏氟乙烯/聚丙烯薄膜基膜/金属镀层结构。
对于上述结构而言，本发明获得的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的介电常数得到显著提高，同时介质损耗很低，自愈特性优异。
在一个较佳的实施例中，所述聚丙烯、聚偏氟乙烯的厚度比为：6∶(2～4)，优选的厚度比为6∶4。
在一个较佳的实施例中，所述金属化聚丙烯薄膜基膜的厚度为5-7μm，厚度大于7μm或者小于5nm都会影响其自愈击穿性能，所以厚度应尽可能适中。
本发明还提供了一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S100：制备聚偏氟乙烯溶液：
将聚偏氟乙烯粉末溶解在极性有机溶剂，搅拌得到聚偏氟乙烯溶液；
S200：平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜，在所述金属化聚丙烯薄膜平整铺开后，在涂覆刮刀中加入S100中所制得的聚偏氟乙烯溶液，设定所述平板涂膜机的速度和温度，在所述金属化聚丙烯薄膜未镀金属层的一面进行涂覆，得到聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜。
在一个较佳的实施例中，步骤S100中所述聚偏氟乙烯与所述溶剂的比例为：每400mL的溶剂溶解10g聚偏氟乙烯，溶解温度设定65-100℃，这里溶解温度设置过低会降低溶解速率，过高会导致挥发加快甚至沸腾，搅拌速度300-400r/min，搅拌10-12h；
在一个较佳的实施例中，所述溶剂为以下任一：丙酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜。
在一个较佳的实施例中，平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜基膜、在金属化聚丙烯薄膜基膜平整铺开后，涂覆刮刀加入所述聚偏氟乙烯溶液，加入溶液过多会导致材料浪费，加入溶液过少会导致涂层不均匀，合适的容量范围为50～100mL；涂覆时，刮刀前进速度过快会导致涂层不均匀，而速度过慢会使得溶液向薄膜边缘扩散，中间部分不均匀，合适的刮刀前进速度为0.012～0.015m/s。在涂覆过程中，为使聚偏氟乙烯与聚丙烯接触界面的溶液快速固化，应对涂覆平板加热，温度过高会破坏薄膜材料和金属镀层，温度过低没有固化的效果，合适的温度范围为20-40℃。
尤其当聚丙烯与聚偏氟乙烯的厚度比为6∶4时，该聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的储能密度提升最大，提升了298％，且其介电损耗与纯聚丙烯的介电损耗相比基本保持不变，自愈可靠性高。该技术为自愈式电容器的储能密度提升提供了技术基础。
以下通过2个具体的实施例来介绍本发明是如何实施方式。
实施例1
一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜，所述薄膜为聚偏氟乙烯/聚丙烯薄膜基膜/金属镀层结构：
其中，聚丙烯、聚偏氟乙烯的厚度比为6∶2，金属化聚丙烯薄膜基膜的厚度为5μm。
本实施例中的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜通过如下方法制备，包括步骤：
S100：制备聚偏氟乙烯溶液：
将聚偏氟乙烯粉末溶解在溶剂中并搅拌得到聚偏氟乙烯溶液；
S200、平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜，在所述金属化聚丙烯薄膜平整铺开后，在涂覆刮刀中加入所述聚偏氟乙烯溶液，设定所述平板涂膜机的速度和温度，在所述金属化聚丙烯薄膜未镀金属层的一面进行涂覆，得到聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜：
其中，步骤S100中所述聚偏氟乙烯与所述溶剂的比例为：每400mL的溶剂溶解10g聚偏氟乙烯，溶解温度设定100℃，搅拌速度300r/min，搅拌10h；
溶剂为以下任一：丙酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜，优选二甲基甲酰胺。
平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜基膜、在金属化聚丙烯薄膜基膜平整铺开后，涂覆刮刀中所述聚偏氟乙烯的加入量为50mL，所述平板涂膜机设定的速度为0.012m/s，温度为20℃。
实施例2
一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜，所述薄膜为聚偏氟乙烯/聚丙烯薄膜基膜/金属镀层结构：
其中，聚丙烯、聚偏氟乙烯的厚度比为6∶4，金属化聚丙烯薄膜基膜的厚度为7μm。
本实施例中的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜通过如下方法制备，包括步骤：
S100：制备聚偏氟乙烯溶液：
将聚偏氟乙烯粉末溶解在溶剂中并搅拌得到聚偏氟乙烯溶液；
S200、平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜，在所述金属化聚丙烯薄膜平整铺开后，在涂覆刮刀中加入所述聚偏氟乙烯溶液，设定所述平板涂膜机的速度和温度，在所述金属化聚丙烯薄膜未镀金属层的一面进行涂覆，得到聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜：
其中，步骤S100中所述聚偏氟乙烯与所述溶剂的比例为：每400mL的溶剂溶解10g聚偏氟乙烯，溶解温度设定70℃，搅拌速度400r/min，搅拌12h；
溶剂为以下任一：丙酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜，优选二甲基甲酰胺。
平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜基膜、在金属化聚丙烯薄膜基膜平整铺开后，涂覆刮刀中所述聚偏氟乙烯的加入量为100mL，所述平板涂膜机设定的速度为0.015m/s，温度为40℃。
对所获得的样品进行性能测试，分别测试了样品的介电性能，储能特性，击穿特性与自愈可靠性。
介电测试是对薄膜试样进行测试，首先在试样表面喷金(金离子溅射)，电极直径是22mm。在室温(25℃)、0.1Hz-105Hz频率范围进行测试，获得试样的介电常数和介电损耗；
储能特性是在400kV/mm时对材料进行了电滞回线测试，计算几种复合材料的储能密度与储能效率；
击穿测试根据利用面-面电极，对薄膜进行直流击穿试验，升压速度为100V/s。每种试样至少获得15个有效击穿点，对击穿场强数据进行威布尔统计分析，选取威布尔分布的尺度参数，即击穿概率为63.2％时的击穿场强作为特征击穿场强进行评判。同时，统计相同击穿次数后，不同薄膜可以成功自愈的次数，作为自愈成功概率的对比基础。
经过测试，不同厚度比例的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合薄膜得到了如下测试结果：
如图2本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的介电常数结果所示，薄膜的介电常数随着聚偏氟乙烯的厚度的增加而增加，当聚偏氟乙烯的厚度为6μm时，薄膜的介电常数急剧增大。
如图3本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的介电损耗结果图显示，薄膜的介电损耗随着聚偏氟乙烯的厚度的增加而基本不变(＜10-2，纯聚丙烯也是＜10-2)。
如图4本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的储能密度测试结果显示，聚丙烯∶聚偏氟乙烯的厚度比范围在6∶(2～4)时，薄膜材料的储能密度有了明显的改善，特别的，当聚丙烯∶聚偏氟乙烯厚度比在6∶4时，储能密度相比纯聚丙烯提高298％，而从图5本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的击穿场强测试结果显示，自愈可靠性为78.3％，相比于聚丙烯仅下降13％，对比储能密度的提升，可以认为得到了储能密度与自愈特性的平衡，取得了较优结果。
表1本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的储能密度与储能效率
| 试样 | 储能密度 | 储能效率 |
| BOPP | 1.57 | 99％ |
| PF2 | 2.32 | 98％ |
| PF4 | 4.68 | 85％ |
表2本发明的聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜的自愈可靠性测试结果
| 试样 | 自愈可靠性 |
| BOPP | 91.3％ |
| PF2 | 73.9％ |
| PF4 | 78.3％ |
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜，所述薄膜为聚偏氟乙烯/聚丙烯薄膜基膜/金属镀层结构。
2.如权利要求1所述的薄膜，其中，优选的，所述聚丙烯薄膜基膜、聚偏氟乙烯的厚度比为：6∶(2～4)。
3.如权利要求1所述的薄膜，其中，所述聚丙烯薄膜基膜的厚度为5-7μm。
4.一种如权利要求1中所述的薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S100：制备聚偏氟乙烯溶液：
将聚偏氟乙烯粉末溶解在溶剂中并搅拌得到聚偏氟乙烯溶液；
S200、平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜，在所述金属化聚丙烯薄膜平整铺开后，在涂覆刮刀中加入所述聚偏氟乙烯溶液，设定所述平板涂膜机的速度和温度，在所述金属化聚丙烯薄膜未镀金属层的一面进行涂覆，得到聚丙烯-聚偏氟乙烯复合金属化薄膜。
5.如权利要求4所述的方法，其中，步骤S100中所述聚偏氟乙烯与所述溶剂的比例为：每400mL的溶剂溶解10g聚偏氟乙烯，溶解温度设定60-100℃，搅拌速度300-400r/min，搅拌10-12h。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述溶剂为以下任一：丙酮、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜。
7.如权利要求4所述的方法，其中，平板涂膜机内放置金属化聚丙烯薄膜基膜、在金属化聚丙烯薄膜基膜平整铺开后，涂覆刮刀中所述聚偏氟乙烯的加入量为50～100mL。
8.如权利要求4所述的方法，其中，所述平板涂膜机设定的速度为0.012～0.015m/s。
9.如权利要求4所述的方法，其中，所述平板涂膜机设定的温度为20-40℃。
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