一种纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜和制法的制作方法

[0001]
本发明涉及介电储能器技术领域，具体为一种纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜和制法。


背景技术：

[0002]
随着高新技术的发展，高密度储能、高充放电效率响应的介质电材料吸引了众多研究者的关注，对国家经济发展和军事领域能力的提升有着重要的意义，其中与常规电池和电容器相比，薄膜电容器由于具有比表面积大、体积小、存储的能量密度高、制备工艺简单、性能稳定等一系列特点而受到广泛关注和研究。
[0003]
薄膜电容器一般使用聚合物或者陶瓷类物质作为介电材料，陶瓷类物质作为介质层时，电容器通常比一般的具有更高的介电常数，热稳定性能好，但这也导致了击穿场强低，介电损耗高，不容易加工和微型研究使用，聚合物电容器作为一类具有较高的击穿场强的介电材料，介电损耗很低，由于聚合物本身的性能，机械性能好，易加工成型，但通常情况下，单一聚合物的介电常数相对较低，因此，结合两者的优点，有望制备具出有高介电常数、低介电损耗、高储能密度的聚合物基复合薄膜，聚丙烯材料作为一种无毒、无臭的广泛应用的聚合物材料，易获得，且价格低廉，结构规整，有着优良的力学性能和低的介电损耗，马来酸酐作为一种常见的聚合物接枝物，接枝聚丙烯，是分子链上具有极性基团的一种聚合物，氮化硼作为一种新型的陶瓷材料，耐腐蚀性能好，具有高的介电常数和优良的热稳定性，氨基化改性后和π-π电子相互作用得到分散均匀，与聚丙烯复合后，利用聚丙烯基体高的击穿强度，二者的协同作用，将有望得到兼具高介电常数、低介电损耗和高击穿强度的储能材料。
[0004]
(一)解决的技术问题
[0005]
针对现有技术的不足，本发明提供了一种纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜和制法，提高单一聚合物储能材料的缺陷，得到兼具高介电常数、低介电损耗和高击穿强度的储能材料。
[0006]
(二)技术方案
[0007]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜，所述纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0008]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨10-20h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0009]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0010]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应24-36h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜。
[0011]
优选的，所述步骤(2)中聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐的质量比为100:0.5-2:0.8-3。
[0012]
优选的，所述步骤(2)中反应的温度为100-150℃，反应时间为3-5h。
[0013]
优选的，所述步骤(3)中马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:0.5-1.5。
[0014]
(三)有益的技术效果
[0015]
与现有技术相比，本发明具备以下化学机理和有益技术效果：
[0016]
该一种纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜，不同于单一聚合物或陶瓷类的介电材料存在的介电损耗、介电常数、击穿强度等方面的缺陷，复合材料能够很大兼具高介电常数、低介电损耗和高击穿强度，聚丙烯材料作为一种价格低廉易获得的结构规整聚合物，有着优良的力学性能和低的介电损耗，作为一种非极性聚合物，内部只有较弱的电子极化，所以介电常数较低，马来酸酐接枝聚丙烯，得到分子链上具有极性基团的一种聚合物，有效的提高了介电常数，氮化硼作为一种具有高的介电常数和优良的热稳定性的陶瓷材料，氨基化改性后在表面得到活性基团，在氮化硼氨基的亲核作用下，与马来酸酐接枝聚丙烯的酸酐基团发生开环反应，提高了二者之间的界面结合力，显著改善了纳米氮化硼在聚丙烯基体中的分散性，减少了纳米氮化硼的团聚，避免了在聚丙烯基体产生大量气孔缺陷，有机纳米壳改善了填料和基体之间的结合力，一定程度上抑制了介电损耗，在复合材料中形成了稳定、均一的界面，增加了介电击穿过程中的自由电子跃迁所需要的能量势垒，氮化硼结构有效的阻碍了在外电场作用下电树枝扩散，同时载流子的传输在氮化硼宽的禁带宽度作用下，得到了抑制，降低了整体的击穿可能性，使的复合薄膜的击穿强度有所增加，使纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜表现出良好的储能密度和介电储能性能。
具体实施方式
[0017]
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜，制法包括以下步骤：
[0018]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨10-20h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0019]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入质量比为100:0.5-2:0.8-3的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为100-150℃，反应时间为3-5h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0020]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:0.5-1.5，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应24-36h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0021]
实施例1
[0022]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨10h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0023]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入
质量比为100:0.5:0.8的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为100℃，反应时间为3h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0024]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:0.5，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应24h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0025]
实施例2
[0026]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨12h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0027]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入质量比为100:1.0:1.5的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为120℃，反应时间为4h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0028]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:0.8，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应30h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0029]
实施例3
[0030]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨18h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0031]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入质量比为100:1.5:2.5的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为140℃，反应时间为4.5h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0032]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:1.2，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应32h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0033]
实施例4
[0034]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨20h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0035]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入质量比为100:2:3的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为150℃，反应时间为5h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0036]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:1.5，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应36h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0037]
对比例1
[0038]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨14h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0039]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入质量比为100:0.3:0.5的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为140℃，反应时间为3.5h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0040]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:0.2，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应30h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0041]
对比例2
[0042]
(1)将纳米六方氮化硼与尿素混合均匀，置于球磨罐中，在氮气氛围下球磨18h，得到氨基化纳米氮化硼；
[0043]
(2)向烧瓶中加入体积比为2:1的二甲苯和丙酮的混合溶剂，在氮气氛围中，加入质量比为100:2.5:3.5的聚丙烯、过氧化二苯甲酰和马来酸酐，搅拌混合，加热进行反应，反应的温度为140℃，反应时间为4h，丙酮洗涤，干燥，得到马来酸酐接枝的聚丙烯；
[0044]
(3)向烧杯中加入氨基化氮化硼和丙酮，超声分散得到混合溶液，将马来酸酐接枝的聚丙烯溶于丙酮溶液，马来酸酐接枝的聚丙烯、氨基化氮化硼的质量比为100:2，逐滴滴加到上述混合溶液中，室温下搅拌反应32h，将溶液涂布在洁净的玻璃基板上进行涂膜，干燥，得到纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜材料，主要应用于介电储能。
[0045]
使用氨基化氮化硼的质量分数为1％的纳米氮化硼改性聚丙烯的复合介电薄膜，室温条件下，使用4395a型频谱阻抗分析仪，在1khz下测试不同样品的介电常数和介电损耗，使用mpd-20kv型高压极化装置，测试不同样品的击穿强度。
[0046]