专利名称：一种高储能密度全有机纳米复合薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于电介质复合材料制备技术领域，特别涉及储能密度高、复合温度低、制 备工艺简单的一种高储能密度全有机纳米复合薄膜及其制备方法。
背景技术：
为了得到高性能的储能电容器，很多科研人员把焦点集中到制备高储能密度电介 质材料上。由于储能密度分别与材料的相对介电常数和耐压强度的平方成正比，因此制 备同时具有高介电常数和高耐压强度的复合介质材料成为了该领域的研究热点。目前， 储能电介质材料主要有三类(一)陶瓷材料，如碳酸钡(BaTiO3)可以用化学溶液沉积 法制成陶瓷薄膜，介电常数高达 2500 (J. Ihlefeld, B. Laughlin, A. Hunt-Lowery，et al， J. Electroceram. 2005，14，95.)，但陶瓷材料需要较高的烧结温度，这会破坏电容器的基板 材料。(二)聚合物材料，如双向拉伸聚丙烯(BOPP)具有很高的耐压强度(640MV/m)，但 是较小的介电常数(2. 2)导致储能密度只有1. 2J/cm3 (Μ. Rabuffi，G. Picci，IEEE Trans. Plasma Sci. 2002，30，1939.)，限制了它在储能电容器中的应用。(三)陶瓷填充聚合物 材料，如钛酸钡粉末填充聚酰亚胺复合材料，当钛酸钡粉末的填充量达到50vol%时，在 IOOHz下，复合材料的介电常数达到50 (聚酰亚胺/钛酸钡复合膜介电性能及其影响因素的 研究(II).功能材料[J] 2008，2 (39) pp. 264-267)。但该方法的缺陷是，复合材料的介电常 数随着陶瓷材料填充量的增加增长缓慢，而陶瓷材料的填充量过高时，易破坏复合材料的 机械性能。并且填料与基体的介电常数相差较大，在受到外电场作用时，复合材料内部会产 生不均一的电场，这会大大地降低复合材料的耐压强度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种兼有高介电常数和高耐压 强度，同时制备工艺简单的高储能密度全有机纳米复合薄膜。本发明所提供的高储能密度全有机纳米复合薄膜由基体聚偏氟乙烯(PVDF)和填 料导电聚苯胺(PANI)粉末组成；复合薄膜中，基体聚偏氟乙烯所占的体积百分比为95 99%，填料导电聚苯胺所占的体积百分比为1 5% ；复合薄膜的厚度为25 30μπι。本发明所提供的高储能密度全有机纳米复合薄膜的制备方法，如下1)将导电聚苯胺(PANI)粉末、聚偏氟乙烯(PVDF)和溶剂N，N-二甲基甲酰胺 (DMF)混合后，球磨12士 lh，得到前躯体溶液；其中，PANI与PVDF的质量比为(0.01 0.065) 1，PVDF 与 DMF 的体积比为 1 (19 20)；2)将步骤1)中制备的前躯体溶液在玻璃板上涂膜后，于60士 1°C干燥2士0. lh，得 到厚度为25 30 μ m的高储能密度全有机复合薄膜。本发明具有以下有益效果本发明所提供的高储能密度全有机纳米复合薄膜的介电性能好，在导电聚苯胺体 积分数为5vol% (略高于渗流阈值4. lvol%)时，复合薄膜的介电常数高达456，较纯聚偏氟乙烯薄膜提高了约40倍；耐压强度高，电气强度达60MV/m ；储能密度高，储能密度达到了 7. 2J/cm3，与聚偏氟乙烯基体相比提高了 3倍多。
图1、实施例1-8中制备的复合薄膜的介电常数(a)和介电损耗(b)与频率的关系。图2、实施例1-8中制备的复合薄膜的介电常数(1000Hz条件下测得)与复合薄膜 中导电聚苯胺的体积分数的关系；插图分别为介电损耗(tan δ)与复合薄膜中导电聚苯胺 的体积分数的关系(左上小图)和介电常数与复合薄膜中导电聚苯胺的体积分数差值的关 系(右下小图)。图3、实施例7中制备的复合薄膜的表面SEM照片。图4、实施例1-8中制备的复合薄膜的介电常数、耐压强度和储能密度与复合薄膜 中导电聚苯胺的体积分数的关系。
具体实施例方式下述实施例中所使用的PANI粉末和PVDF的重均分子量分别为5000、8000。导电 聚苯胺和PVDF均为市售商品。实施例1-9将PANI粉末、PVDF和DMF加入到球磨罐中，球磨12h，得到前躯体溶液后，在玻璃 板上展开，并置于鼓风烘箱中，于60°C下加热2h干燥，得到复合薄膜；其中，PANI粉末和 PVDF的用量及复合薄膜中PANI粉末和PVDF所占的体积百分比如表1中所示，实施例1_9 中溶剂DMF的用量均为20ml。
权利要求
一种高储能密度全有机复合薄膜，其特征在于，所述的复合薄膜由基体聚偏氟乙烯PVDF和填料导电聚苯胺PANI组成；复合薄膜中，基体聚偏氟乙烯所占的体积百分比为95～99％，填料导电聚苯胺所占的体积百分比为1～5％；所述的复合薄膜的厚度为25～30μm。
2.根据权利要求1所述的一种高储能密度全有机复合薄膜的制备方法，其特征在于， 包括以下步骤1)将导电聚苯胺PANI粉末、聚偏氟乙烯PVDF和溶剂N，N-二甲基甲酰胺DMF混合后， 球磨12士 lh，得到前躯体溶液；其中，PANI与PVDF的质量比为(0. 01 0. 065) 1，PVDF 与DMF的体积比为1 (19 20)2)将步骤1)中制备的前躯体溶液在玻璃板上涂膜后，于60士1°C干燥2士0. lh，得到厚 度为25 30 μ m的高储能密度全有机复合薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种高储能密度全有机复合薄膜及其制备方法。本发明所提供的复合薄膜由基体聚偏氟乙烯PVDF和填料导电聚苯胺PANI组成；复合薄膜中，PVDF所占的体积百分比为95～99％，PANI所占的体积百分比为1～5％。本发明通过将PANI粉末、PVDF和溶剂DMF混合后，球磨12±1h，将所得前躯体溶液在玻璃板上涂膜后，于60±1℃干燥2±0.1h，得到厚度为25～30μm的高储能密度全有机复合薄膜。本发明所提供的复合薄膜具有优异的介电性能、耐压强度和储能密度。
文档编号C08J5/18GK101955619SQ20091008926
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者党智敏, 苑金凯 申请人:北京化工大学