[发明专利]一种核壳纳米氧化硅@氧化锆粒子-聚丙烯马来酸酐接枝聚丙烯复合材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种核壳纳米SiO₂@ZrO₂粒子‑聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯复合材料及制备方法。将纳米SiO₂@ZrO₂在50％‑50％纯聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯中利用熔融共混法进行不同浓度的掺杂，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％；氧化硅壳层厚度分别为3nm、7nm、11nm，且表面经过KH570硅烷耦合处理。本发明获得的纳米复合介质的介电常数和击穿场强同时得到显著提高，当本发明的纳米SiO₂@ZrO₂取壳层厚度为11nm、掺杂浓度为1wt％时，储能密度相比纯PP提升52％，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，涉及一种高储能密度核壳纳米SiO₂@ZrO₂-聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

作为一种储能器件，电力电容器在电力系统中应用广泛，也就对其中材料的储能密度提出了更高的要求。为了满足应用中的需求，电介质材料必须具有高介电常数，以及低介电损耗和高击穿强度。

当前常用的有机介电材料聚丙烯(PP)，虽然具有较高的击穿场强和较低的介电损耗，但其介电常数也较低(仅2.2～2.4)。为了提高PP的介电常数，传统的方法是向其中掺杂高介电常数的无机纳米粒子。例如，杨文虎等人系统地研究了微纳米级钛酸铜钙(CCTO)陶瓷粉体对于相应复合材料的介电性能的影响，发现利用无机纳米材料界面极化的特性可以提升复合材料的介电常数，以及当填充体积分数为60vol.％，测试频率为1kHz时，复合薄膜的介电常数随着BT粒子尺寸的增加呈现先增后减的趋势；Fan等人研究了不同粒径大小的BT纳米粒子(30-50nm，50-80nm，100-150nm)对于BT/PVDF复合材料的介电性能的影响，发现在低频且填料纳米粒子的尺寸为30-50nm时，复合材料的介电常数具有较大提升。但因为无机填料往往与有机基料间介电常数相差较大，电场的严重畸变，则必会导致复合材料的击穿性能大幅下降，这是我们相当不愿意看到的。

部分研究学者尝试保持聚合物基料结构不变，在介电常数较高的核心粒子与有机基料之间包覆一层具有中等介电常数的无机材料，作为有效缓冲层，以求达到均匀内部电场、有效改善储能密度的目的。现有技术中有将纳米氧化锆外包覆氧化铝，形成核壳结构纳米粒子，对聚丙烯进行掺杂改性。

当前研究的核心粒子，多是局限在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)为核心的核壳结构制备和掺杂，以期达到复合材料的介电常数提高。以中介电常数纳米粒子(如纳米氧化锌、纳米氧化锆，介电常数为10～100)为核心的核壳掺杂工作进行较少。

因此，本领域技术人员致力于提供一项新的以中介电常数纳米粒子为核心的核壳掺杂研究。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种核壳纳米SiO₂@ZrO₂-聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯复合材料，来增加新的以中介电常数纳米粒子为核心的核壳掺杂研究。

为实现上述目的，本发明提供了一种核壳纳米SiO₂@ZrO₂-聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯复合材料，所述复合材料中聚丙烯为等规聚丙烯，所述马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为1～3％，所述核壳纳米SiO₂@ZrO₂粒子在马来酸酐接枝聚丙烯中的掺杂浓度为0～5％，SiO₂壳层的厚度可以调节，所述纳米氧化锆粒子直径为30-50nm。

本发明还提供了一种核壳纳米SiO₂@ZrO₂-聚丙烯/马来酸酐接枝聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：