[发明专利]一种高储能密度聚丙烯-马来酸酐接枝聚丙烯-纳米氧化锆复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高储能密度聚丙烯‑马来酸酐接枝聚丙烯‑纳米氧化锆复合材料及其制备方法。将纯聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯与纳米氧化锆按照一定比例进行熔融共混，其中聚丙烯为等规聚丙烯；马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为1％；纳米氧化锆粒子直径为10～30nm，且表面经过KH570硅烷耦合处理。并利用该复合材料制备了复合材料薄膜。本发明获得的三元体系复合介质的介电常数和击穿场强同时得到显著提高，当取本发明的聚丙烯/马来酸酐介质聚丙烯/纳米氧化锆的重量比时，储能密度提升最大，且介电损耗与纯聚丙烯相比保持不变。该技术为薄膜电容器储能密度的提升提供了技术基础。

技术领域

本发明属于电力电容器领域，具体涉及一种高储能密度聚丙烯-马来酸酐接枝聚丙烯-纳米氧化锆复合材料。

背景技术

聚丙烯是电力电容器中运用最多的介质材料，它有击穿场强高、介电损耗低、来源广等有点，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。

向聚丙烯中掺杂无机纳米粒子，构成纳米复合材料提高聚合物的储能特性研究很多：如Lisa A.Fredin等(《Adv.Mater.》2012)研究了将纳米氧化锆外包覆氧化铝，形成核壳结构纳米粒子然后对聚丙烯进行掺杂改性，并未使用马来酸酐介质聚丙烯作为相容剂构筑三元体系。A.M.Magerramov等(SURF ENG APPL ELECT+，Vol.49，No.5，2013)将纳米氧化锆直接与聚丙烯共混，获得了介电常数有所提高的复合聚丙烯，并未使用马来酸酐接枝聚丙烯作为相容剂构筑三元体系，并且介电损耗明显增大。伍玉娇等(塑料，2007年36卷第2期)研究了聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯与纳米氧化硅的三元复合体系，且仅报道了其机械性能，并非针对电学性能、储能性能的提升。Yao Zhou等(J.Phys.D：Appl.Phys.49(2016))该文章中所述成果是马来酸酐接枝聚丙烯相比纯聚丙烯的性能改善，并非纳米复合电介质。

当前的研究多是局限在低介电常数纳米粒子(纳米二氧化硅、纳米氧化铝等，介电常数小于10)提高聚丙烯基复合材料的击穿场强或是高介电常数纳米粒子(纳米钛酸钡、纳米氧化钛等，介电常数大于100甚至更大)提高聚丙烯基体的介电进而提高其储能特性，效果都有一定的局限性。而对介电常数处在两种纳米粒子(高、低介电常数之间)的纳米二氧化锆和聚丙烯复合材料的研究几乎没有。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高储能密度聚丙烯-马来酸酐接枝聚丙烯-纳米氧化锆复合材料。

本发明的复合材料为将纯聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯与纳米氧化锆按照一定比例进行熔融共混获得。

优选的，所述聚丙烯为等规聚丙烯。

优选的，所述马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为1％。

优选的，所述纯聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯与纳米氧化锆的重量比为：(40～60)∶(60～40)∶(0.3～1.5)，优选的，重量比为50∶50∶0.5。

优选的，所述纳米氧化锆粒子直径为10～30nm，且表面经过KH570硅烷耦合处理。

本发明还提供了一种纯聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯与纳米氧化锆复合材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：母料制备：

转矩流变仪内加入部分马来酸酐接枝聚丙烯和纳米氧化锆，质量分数占比为0.2-0.4％的抗氧剂1010，175-185℃熔融共混5-15分钟，获得母料，其中马来酸酐接枝聚丙烯与纳米二氧化锆的质量比为5∶1-15∶1；

第二步：复合材料制备：

转矩流变仪内加入聚丙烯、剩余部分马来酸酐接枝聚丙烯和母料，在转矩平稳后，加入总质量0.2-0.4％抗氧剂1010，在35-45r/min，175-185℃的条件下进行15-25分钟的熔融复合。