一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜及其制备方法，特点是该复合薄膜由片状核壳结构Ni(OH)2@TiO2填充于聚偏氟乙烯共聚物复合而成，片状核壳结构为片状核层氢氧化镍外部包裹一层壳层二氧化钛，片状核壳结构在聚偏氟乙烯共聚物中的掺杂体积百分比为1

【技术实现步骤摘要】
一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及属于介质电容器领域，尤其是涉及一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物PVDF
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HFP复合薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步，现代电子电力系统的发展对储能元件提出了更加全面多元的要求。其中介质电容器是通过物理电荷
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位移机制储存能量的元件，具有电化学储能元件如蓄电池和电化学电容器等无法比拟的超高功率密度和高电压。在电力清洁能源和电动汽车系统以及脉冲功率技术等等方面，介质电容器都承担着至关重要的作用。然而，尽管介质电容器有着不可替代的作用，但较低的储能密度（商用的聚合物或陶瓷电容器的储能密度均小于2 J/cm3）已成为电子和电气系统进一步集成化、小型化和轻量化的瓶颈。对于介质电容器来讲，其储能密度是由两极板间的电介质材料决定的，因此，获得能够实现更高储能密度的新型电介质材料成为了科研工作者必须攻克的难关。介质材料的介电常数ε和击穿场强E
b
是影响储能密度两个最关键的因素，无论是具有超高介电常数的陶瓷材料还是具有较高击穿场强的有机聚合物，单一的材料都无法同时具备这两种有利的性质。因此，研究人员设想出一种有机
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无机复合材料，寄希望于这类复合材料能够兼具较高的介电常数和击穿性能。但早期大量研究显示，少量的陶瓷颗粒填充到有机聚合物基体无法显著提高基体的介电常数，大量的陶瓷颗粒填充(大于50 vol.%）会使基体产生大量的孔洞和缺陷，进而导致复合材料击穿性能和机械性能的显著下降。另外陶瓷材料（ε
r
>1k）和有机聚合物（ε
r ~10）之间显著的介电差异还会引起有机
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无机界面电场畸化，导致复合材料击穿场强的下降，无法获得令人满意的储能性能，因此选择合适的无机填料和有机聚合物成为优化复合电介质储能性能的关键。
[0003]近期的大量研究表明，一维(1D)纳米线、(2D)二维纳米片状材料在作为复合材料填料时，由于其各向异性相较于零维(0D)纳米颗粒具有以下优势：1、平行于电场方向排布：具有高长径比的1D、2D材料表现出较高的介电特性，少量的一维(1D)纳米线、(2D)二维纳米片材料的填充显著提升基体的介电常数；2、垂直于电场方向排布：1D、2D材料作为更有效的电子散射中心，阻碍载流子的运动，使载流子经过更曲折的击穿路径，提高抗击穿性能。此外，为了改善无机填料和有机基体之间的性能差异而引起的界面畸化，填料核壳结构的设计得到了广泛关注。在核心填料表面包覆适当的壳层材料，不仅提高了材料整体的极化性能，而且能够改善界面畸化，束缚核心内部电荷的扩散，降低材料的导电损耗，从提高材料的抗击穿性能和储能效率。然而对于复合电介质在提高极化的同时如何保持甚至优化聚合物基体本身具有的抗击穿性能是重要的难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能够显著提高介电、击穿和储能性能，并
维持了聚合物自身优异的电绝缘和机械性能的片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜及其制备方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜，所述的复合薄膜由片状核壳结构Ni(OH)2@TiO2填充于聚偏氟乙烯共聚物复合而成，所述的片状核壳结构为片状核层氢氧化镍（Ni(OH)2）外部包裹一层壳层二氧化钛（TiO2），所述的片状核壳结构在聚偏氟乙烯共聚物中的掺杂体积百分比为1
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4%。
[0006]优选的，所述的片状核壳结构在聚偏氟乙烯共聚物的中的掺杂体积百分比为2%。
[0007]上述片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：首先采用水热法制备Ni(OH)2纳米片，然后对其进行二氧化钛包裹后，再与聚偏氟乙烯共聚物复合，应用刮刀涂布法制备得到片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物复合薄膜。
[0008]具体步骤如下：（1）合成Ni(OH)2纳米片将2.38 g NiCl2加入30 ml去离子水中，机械搅拌30 min至充分溶解后，加入1 g聚乙二醇2000，搅拌15 min至完全溶解，形成溶液A；将2.3 ml氨水滴入30 ml去离子水中，搅拌45 min形成溶液B；将溶液B缓慢倒入溶液A中，接着以400~600 r/min磁力搅拌反应2 h后，置于高温烘箱中，于200℃反应24 h后，将反应溶液用去离子水超声洗涤3次后，于5000~6000 r/min离心收集Ni(OH)2纳米片，再于80℃真空干燥12 h，研磨2 h即得到Ni(OH)2纳米片；（2）合成Ni(OH)2@TiO2核壳结构将0.1 g Ni(OH)2纳米片分散于50 ml异丙醇，超声分散1h，磁力搅拌1h，再滴加0.1 ml二乙烯三胺，继续搅拌1 h，形成溶液A；将2 ml钛酸异丙酯滴加到20 ml异丙醇内，搅拌1 h后用注射器缓慢滴入溶液A后，于600~800 r/min高速搅拌继续反应4 h后，置于高温烘箱，于200℃反应24 h后，将反应物用离心管洗涤离心，取沉淀分别用去离子水和无水乙醇洗涤3次后，于6000
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8000 r/min离心收集Ni(OH)2@TiO2溶胶，80 ℃真空干燥12 h，研磨2 h，即得到Ni(OH)2@TiO2核壳材料；加入二乙烯三胺是诱导TiO2壳层垂直生长，从而保持Ni(OH)2片状材料的特性；（3）复合薄膜的制备将0.0208
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0.083 g的Ni(OH)2@TiO2核壳材料加入到由0.9 g PVDF
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HFP（聚偏氟乙烯
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六氟丙烯）溶于5 ml二甲基甲酰胺（DMF）得到的溶液中，超声分散1 h，用细胞破碎机1000 W处理30 min后继续磁力搅拌24
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36 h，形成均匀分散的混合溶液，将混合溶液真空处理抽去气泡，取1~2 ml滴到导电玻璃的导电面并用刮刀铺平，置于100 ℃烘箱真空烘干6 h，待完全蒸干多余溶剂二甲基甲酰胺后继续升温至210 ℃，保温10 min，将取出的复合薄膜迅速放入冰水中淬火，清洗烘干，即得到片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物复合薄膜。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜及其制备方法，选择PVDF
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HFP为基体，相比于商用聚丙烯（BOPP介电常数约2.2）其介电常数为12，在具有优异击穿性能的同时具有较好的介电性能。以片状Ni(OH)2@TiO2核壳结构为无机填料，这两种材料的介电常数在20
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200之间，在复合材料的界面不会由于巨大的介电差异而引起严重的电场畸化。首先，片状Ni(OH)2@TiO2核壳结构固有介电性质能够提高复合电介质的介电常数，而且由于聚合物和无机填料以及核壳之间具有不
同的极性或电导率，在外电场的作用下电介质中的电子或离子在界面处聚集所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜，其特征在于：所述的复合薄膜由片状核壳结构Ni(OH)2@TiO2填充于聚偏氟乙烯共聚物复合而成，所述的片状核壳结构为片状核层氢氧化镍外部包裹一层壳层二氧化钛，所述的片状核壳结构在聚偏氟乙烯共聚物中的掺杂体积百分比为1
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4%。2.根据权利要求1所述的一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜，其特征在于：所述的片状核壳结构在聚偏氟乙烯共聚物P中的掺杂体积百分比为2%。3.一种权利要求1所述的片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物复合薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先采用水热法制备Ni(OH)2纳米片，然后对其进行二氧化钛包裹后，再与聚偏氟乙烯共聚物复合，应用刮刀涂布法制备得到片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物复合薄膜。4.根据权利要求3所述的一种片状核壳结构掺杂聚偏氟乙烯共聚物的复合薄膜的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）合成Ni(OH)2纳米片将2.38 g NiCl2加入30 ml去离子水中，机械搅拌30 min至充分溶解后，加入1 g聚乙二醇2000，搅拌15 min至完全溶解，形成溶液A；将2.3 ml氨水滴入30 ml去离子水中，搅拌45 min形成溶液B；将溶液B缓慢倒入溶液A中，接着以400~600 r/min磁力搅拌反应2 h后，置于高温烘箱中，于200℃反应24 h后，将反应溶液用去离子水超声洗涤3次后，于5000~6000 r/min离心收集Ni(OH)2纳米片，再于80℃真空干燥12 h，研磨2 h即得到Ni(OH...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟平，侯亚飞，陈辉，武志杰，陈益敏，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：