儲(chǔ)能高分子材料的膜態(tài)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馬一春

（柯艾國(guó)際商貿(mào)（上海）有限公司，上海 200051）

高分子聚合材料的出現(xiàn)給電子工業(yè)、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)物理和化學(xué)研究、新材料應(yīng)用等領(lǐng)域提供了更多機(jī)會(huì)[1]。在電子工業(yè)領(lǐng)域，高分子聚合材料已經(jīng)表現(xiàn)出如下優(yōu)勢(shì)：該類(lèi)型材料的抗擊穿能力強(qiáng)、充電效率高、放電效率高以及介電損耗比率低。三高一低的特點(diǎn)使其非常適用于電容等電子元件的制備[2]。目前已知的用于電子元件生產(chǎn)的高分子聚合材料還有一些待解決的問(wèn)題，例如該類(lèi)型材料的剩余極化較高，增加了工作過(guò)程中的能量損失[3]。因此，如何降低高分子聚合材料的能量損耗，并在保證其基本性能的前提下提升該類(lèi)型材料的儲(chǔ)能效率，就成為高分子聚合材料的未來(lái)發(fā)展方向。該文進(jìn)行了高分子聚合材料的膜態(tài)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)分析其基本性能和儲(chǔ)能性能。

1 儲(chǔ)能高分子材料的膜態(tài)設(shè)計(jì)

在電子工業(yè)領(lǐng)域，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是應(yīng)用較廣泛的高分子聚合材料，其主要優(yōu)勢(shì)為介電性能為線性、成品的透明度高、材料加工原理簡(jiǎn)單且加工過(guò)程方便且價(jià)格低、性?xún)r(jià)比高，因此受到電子產(chǎn)品制造市場(chǎng)的青睞。

尤其是聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏氟乙烯（PVDF）混合在一起制備成高分子材料時(shí)，其擊穿強(qiáng)度可以得到進(jìn)一步提升，能量密度也較高。

隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物（MG）的出現(xiàn)，已經(jīng)表現(xiàn)出了比聚甲基丙烯酸甲酯更優(yōu)異的性能。二者相比較而言，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物，它的介電性能、抗擊穿性能、儲(chǔ)能效果都明顯高于聚甲基丙烯酸甲酯。

因此，該文選用甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物與聚偏氟乙烯聚合成新的高分子材料，分析其基本性能，尤其是儲(chǔ)能性能的情況。

新材料樣本的制作過(guò)程如下：取50mL的燒杯一只，向其中加入20mL基底溶液并均勻攪拌。然后將聚偏氟乙烯和甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的固態(tài)顆粒倒入基底溶液中，需要注意聚偏氟乙烯和甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的總質(zhì)量應(yīng)保持在2g的水平。將2種材料倒入基底溶液后，保持工作溫度為40℃，繼續(xù)均勻攪拌720min，確保2種固態(tài)材料完全溶于基底溶液。為了考察2種材料的合適比例，該文在2g混合材料中，將聚偏氟乙烯材料的占比分別設(shè)置為10%、20%、30%、40%，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物材料的占比分別設(shè)置為90%、80%、70%、60%。再通過(guò)刮膜機(jī)進(jìn)行有效控制，在工作溫度為60℃的條件下，將高分子材料液態(tài)物質(zhì)流延、烘干成膜態(tài)物質(zhì)，制備好的新的高分子材料膜態(tài)厚度為12μm。新型高分子聚合材料的膜態(tài)制備物效果如圖1所示。

圖1 新型高分子材料的4種制備效果

2 高分子材料的介電性能試驗(yàn)與分析

對(duì)電子工業(yè)而言，一種材料的介電性能是其最基本的性能。為了確保電子元件不被擊穿并穩(wěn)定可靠地工作，需要選擇介電常數(shù)高、介電能耗低的材料作為制備材料。因此，生成新的高分子聚合材料后需要對(duì)其介電性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示。

圖2 新型高分子聚合材料的介電性能曲線

從圖2中的6組曲線對(duì)比情況可以看出，隨著頻率的不斷增加，6組曲線的整體態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)。其中，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物材料的介電常數(shù)曲線處在最低位置，隨著頻率不斷增加，介電常數(shù)從6逐步減至4.5。聚偏氟乙烯占比10%的新型高分子材料的介電常數(shù)曲線位置稍高一些，隨著頻率不斷增加，介電常數(shù)從8逐步減至6。聚偏氟乙烯占比20%的新型高分子材料的介電常數(shù)曲線位置更高一些，隨著頻率不斷增加，介電常數(shù)從8.5逐步減至6.2。聚偏氟乙烯占比30%的新型高分子材料的介電常數(shù)曲線隨著頻率不斷增加，介電常數(shù)從9.5逐步減至6.7。聚偏氟乙烯占比40%的新型高分子材料的介電常數(shù)曲線位置再高一些，隨著頻率不斷增加，介電常數(shù)從10.5逐步減至7.7。聚偏氟乙烯材料的介電常數(shù)曲線位置最高，隨著頻率不斷增加，介電常數(shù)從13.5逐步減至9。

從圖2中的6組曲線變化情況可以看出，6種材料的介電常數(shù)均較高、介電損耗較小，隨著頻率不斷增加，6種材料的介電常數(shù)曲線均出現(xiàn)緩慢下滑，但并不影響其介電工作的安全性。對(duì)4種新制備的高分子材料而言，在聚偏氟乙烯占比40%的情況下，介電性能最好。

進(jìn)一步觀察新型高分子聚合材料的電導(dǎo)率變化曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，隨著頻率不斷增加，各組曲線密集排列，呈整體不斷上移的趨勢(shì)。除了聚偏氟乙烯的曲線變化有較大波動(dòng)外，其他曲線均呈現(xiàn)出近似斜率的線性增長(zhǎng)變化。試驗(yàn)中的6種材料的電導(dǎo)率均有所增高，但最大電導(dǎo)率仍然<0.0001S/m，表明這些材料具有較好的導(dǎo)電性能。其中聚偏氟乙烯的電導(dǎo)率變化幅度較明顯。

圖3 新型高分子聚合材料的電導(dǎo)率變化曲線

3 高分子材料的擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)與分析

在電子工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，高分子材料的安全性主要體現(xiàn)在抗擊穿強(qiáng)度的大小，與介電常數(shù)相比，其反應(yīng)的性能更直接。為了確保電子元件不被擊穿并穩(wěn)定可靠地工作，需要選擇抗擊穿強(qiáng)度高的材料。因此，第二組試驗(yàn)對(duì)生成的新的高分子聚合材料進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。

圖4 新型高分子聚合材料的抗擊穿強(qiáng)度曲線

從圖4可以看出，第一組別下，聚甲基丙烯酸甲酯材料的抗擊穿強(qiáng)度為430MV/m，低于甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的460MV/m。第二組別下，聚偏氟乙烯占比10%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的抗擊穿強(qiáng)度為500MV/m，低于聚偏氟乙烯占比10%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的520MV/m。第三組別下，聚偏氟乙烯占比20%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的抗擊穿強(qiáng)度為520MV/m，略高于聚偏氟乙烯占比20%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的510MV/m。第四組別下，聚偏氟乙烯占比30%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的抗擊穿強(qiáng)度為550MV/m，低于聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的600MV/m。第五組別下，聚偏氟乙烯占比30%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的抗擊穿強(qiáng)度為450MV/m，低于聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的510MV/m。第六組別下，純聚偏氟乙烯材料的抗擊穿強(qiáng)度最低，為300MV/m。

從6組試驗(yàn)的柱狀圖對(duì)比可以看出，在相同情況下，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的抗擊穿強(qiáng)度均高于聚甲基丙烯酸甲酯材料。從各組試驗(yàn)的橫向?qū)Ρ葋?lái)看，聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物抗擊穿強(qiáng)度最高。

4 高分子材料的儲(chǔ)能性能試驗(yàn)與分析

提高儲(chǔ)能性能是該文研究的關(guān)鍵，因此在證實(shí)了合成的新型高分子材料的基本性能后，進(jìn)一步測(cè)試其儲(chǔ)能性能，結(jié)果如圖5所示。

圖5 新型高分子聚合材料的儲(chǔ)能額度曲線

從圖5可以看出，第一組別下，聚甲基丙烯酸甲酯材料的儲(chǔ)能額度為4J/cm3，低于甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的5.8J/cm3。第二組別下，聚偏氟乙烯占比10%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的儲(chǔ)能額度為5.8J/cm3，低于聚偏氟乙烯占比10%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的7.5J/cm3。第三組別下，聚偏氟乙烯占比20%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的儲(chǔ)能額度為6.5J/cm3，低于聚偏氟乙烯占比20%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的7.8J/cm3。第四組別下，聚偏氟乙烯占比30%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的儲(chǔ)能額度為8J/cm3，低于聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的10.8J/cm3。第五組別下，聚偏氟乙烯占比30%的聚甲基丙烯酸甲酯材料的儲(chǔ)能額度為5J/cm3，低于聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的8J/cm3。第六組別下，純聚偏氟乙烯材料的儲(chǔ)能額度最低，為4J/cm3。

從6組試驗(yàn)的柱狀圖對(duì)比情況可以看出，在相同情況下，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物的儲(chǔ)能額度均高于聚甲基丙烯酸甲酯材料。從各組試驗(yàn)的橫向?qū)Ρ葋?lái)看，聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物儲(chǔ)能額度最高。

5 結(jié)論

為了滿(mǎn)足電子工業(yè)對(duì)均有更高穩(wěn)定性、更高儲(chǔ)能效率新材料的需求，該文研制了一種新型膜態(tài)高分子材料。首先，給出了新型高分子材料制備所需的基本原料，包括甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物、聚偏氟乙烯，并將聚甲基丙烯酸甲酯作為比對(duì)材料。其次，給出了新型高分子材料的制備流程、詳細(xì)的制備過(guò)程和試驗(yàn)條件。最后，對(duì)已經(jīng)制備出的新型高分子材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)介電常數(shù)、抗擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能額度進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，新型高分子材料的介電常數(shù)高、抗擊穿強(qiáng)度高且儲(chǔ)能額度大。