制造包含分散的纳米颗粒的连续电介质膜的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电介质以及它们在电容器中的应用。电容器是一种存储电荷的装置，并且一般包括由电介质分开的两个导电板。在理想的系统中，导电板保持它们的电荷，直到需要放电为止，并且在这样做的方法中导电板能够以受控方式向系统供应电能。
【背景技术】
[0002]影响电容的因素有板的面积、它们的间隔以及它们之间的电介质存储电荷和延期所施加电压的能力。电介质可以由任何合适的绝缘材料制成。介电常数和介质击穿强度越大，能够存储的能量就越多。当电位差上升到高于介质强度并导致电介质电击穿时，最终任何电容器都将失效。
[0003]电介质经常由热塑性塑料或热固性聚合物制成。在商业上已经使用热塑性材料用于电容器电介质应用，例如，所述热塑性材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯和聚苯乙烯，其中PET和PP最普遍。热固性聚合物也普遍使用，要么独立使用，要么与其他绝缘系统组合地使用。这些材料的相对介电常数在大约2到3.5的范围内。已知其他电容器，例如陶瓷电容。陶瓷电容往往易碎，并且经常缺乏在非良性环境中有效工作的足够健壮性。另外，它们缺乏基于聚合物的塑料电介质的柔性，塑料电介质能够紧凑地卷绕，从而提供大表面面积且在高电压/电场条件下具有对应的较高能量存储密度。
[0004]电介质材料的介电常数依赖于频率，因此当频率升高时，会从第一介电常数过渡到可能具有低得多的值的第二介电常数。这是因除了电子和离子传导机制以外偶极分子在电场中的行为方式引起的。当建立电场时，偶极分子沿着以及迎着场线排列自身，在这样做的方法中偶极分子能够增加材料的能量存储能力。该机制使得能够在电容器中存储更多能量。在AC系统中，正弦电场致使分子根据频率改变排列。
[0005]申请GB 1004393.3证明，聚合物与遍及该聚合物分散的高介电常数颗粒的混合物导致能量密度存储增强。当在一定电场强度时或低于该电场强度时颗粒尺寸接近电子的德布罗意波长时，颗粒像电子一样表现，仿佛遍及塑料被“涂抹”一样，由此显著地提高总体介电常数，同时维持电介质的柔性和高电压能力。复合物的德布罗意波长由材料中的电子迀移率和所施加的电场(即电子漂移速度)来确定。当电子迀移率是基础聚合物和材料形态二者的函数时，重要的是确保用于挤压膜的熔融聚合物的正确结晶，这需要受控的热力学环境。德布罗意波长可以通过简单地改变结晶条件而改变若干个数量级。
[0006]以这种方式混合较高介电常数的颗粒从而在材料中具有正确分布比较重要。颗粒必须遍及聚合物分散和分布。
[0007]已知必须引入高剪切率以确保颗粒在聚合物内具有合适的空间分布。US2008/0262126阐述了一种方法，该方法使用复合作为实现这种分散和分布的方法。该复合步骤作为离散批次方法执行，以获得母料，该母料被进一步处理成最终产品。然而，为了产生连续的馈送，这种原地混合是不可能的，并且在该过程中没有办法确保颗粒变成适当地混合。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是生产连续的热塑性自由形式(不受基板支撑)的电介质膜，该电介质膜均匀地加载有分散的纳米颗粒(在所有尺寸上都是纳米制)。本发明还有一个目的是在单个连续处理步骤中生产这种电介质。
[0009]因而，本发明提供了一种制作均匀地加载有分散的纳米颗粒的连续自由形式的热塑性电介质膜的方法，该方法包括如下步骤:
[0010]将热塑性微粒馈送到挤压机内；
[0011]喷射包括悬浮液的二次给料以形成纳米复合物，所述悬浮液在液态载体中具有纳米颗粒；以及
[0012]以预设速率将所述复合物挤压到冷却的辊上，由此能够控制纳米复合物膜的晶体结构，
[0013]其中，在将所述二次给料喷射到所述挤压机内的同时借助于超声发生器来连续地混合所述二次给料。
[0014]这种方法使得能够以如下方式形成纳米复合物，即:控制德布罗意波长并具有适当分布和分散的颗粒。根据需要，所述颗粒可以是金属氧化物，例如二氧化钛，所述聚合物可以是PET、聚苯乙烯、聚对二甲苯、聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯。
[0015]术语“自由形式”是指所述膜并没有被支撑在基板上。这意味着体积减小、柔性增加，并且重要的是使得电容器能够被卷绕。这是高电容、高能量密度存储、高电压电容器的基础，所述电容器具有许多工业上的好处。
[0016]所述方法利用同步旋转、相互啮合、自清洁的双螺杆挤压机，该挤压机允许以受控的温度和压力进行高剪切率的混合。所述螺杆交错，并且在这种情况下以相同速率同步旋转，使得聚合物上的剪切力和流率得到控制。对于特定应用，所述螺杆可以根据所需要的剪切力和温度反向旋转。类似地，螺杆间距可以被改变以给予不同的流变处理效应。螺杆间距将是期望的结构和所需的厚度和晶体结构的函数，而这又取决于基础聚合物的类型。诸如剪切力之类的参数取决于聚合物的热弹性特性。
[0017]由纳米颗粒构成的二次给料通过主挤压机圆筒的低压区域以给定压力馈送到聚合物基质中。必须形成可以喷射所述二次给料的低压区域，这些颗粒通过低压蠕动泵喷射。这是通过在双螺杆螺纹内设置合适的稀疏区实现的，从而使得低粘性的二次给料能够在螺杆螺纹连续旋转的同时进入，从而以给定速率混合开。所述二次给料在喷射到挤压机圆筒内之前还被超声破碎，以提高所述二次给料中纳米颗粒的分散。与螺杆之间的高剪切率一起，超声破碎确保纳米颗粒遍及聚合物分散和分布。所述螺杆及其螺纹可以以适当的间距和间隔设置，以实现期望的产出量和剪切率。超声破碎可以使用液体储存器(作为标准)来执行，或者可以通过利用超声发生器流动池来执行。流动池可以产生更高效的气穴现象，这是由于通过流动池泵送的全部材料都紧密靠近超声发生器探头。
[0018]该方法允许形成特别长的、潜在地连续的柔性电介质条带，该条带能够通过与铝箔或任何其他合适的金属或非金属电极交织而卷绕成电容器。这种条带的优点是不需要用基板进行支撑。由于该方法是没有分批的单个过程，因此聚合物不可能经受成批产品聚合物(其中塑料经受若干次加热/冷却循环)的热降解。单个过程远非能量密集型过程，不可能在过程中引入杂质或薄弱点。
[0019]本发明相比于现有的纳米复合物膜处理技术提供了显著的益处，这是因为所有其他技术都使用成批处理方法，而本发明可以在单个连续处理布置中制造大规模纳米复合物电介质膜。在工业中被广泛接受的是，连续处理方法由于若干原因而固有地更节约成本，例如:敏感材料的驻留时间更短，获得最终产品的总处理时间最短，误差引入减少，对处理的控制最大。
[0020]可能的是，可以将不同的纳米颗粒喷射到挤压机圆筒的多于一个的部分处。例如，在某些情况下，产生耗损电介质可能是有利的。在不期望电荷经久不消的应用中(换言之，例如在机械工人需要确定电荷已分散的汽车应用中)，电介质可以被设计成以不减小其能量存储能力的方式在预定时期上释放电荷。这可以通过在系统中引入电子来实现。电介质中的一些损耗通过纳米颗粒的偶极松弛来进行。附加电子可以引入更大的阻抗分量。这通常是不期望的，但是在仅对一定时期来说期望能量存储而安全要求需要将电放掉的一些情况下，这将具有效用。