介電材料及使用該介電材料的電容器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種介電材料及使用該介電材料的電容 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力電容器是電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。一般來說，電網(wǎng)的輸出功率主要包括兩個 部分：有功功率(或?qū)嶋H功率）和無功功率。典型地，在交流(AC)電路中，能量暫時儲存在 感應元件和電容元件中，這可能導致電流方向的周期性反轉(zhuǎn)。對一個完整AC波形求取平均 值，所得的功率流部分是實際功率；即，可用于做功(例如，克服電動機中的摩擦，或加熱元 件)的能量。另一方面來說，功率流中的一部分在感應電路元件和電容電路元件中暫時以磁 場或電場的形式儲存，然后返回源頭，即所稱的無功功率。交流輸電系統(tǒng)中，需要無功功率 流來支持有功電流在網(wǎng)絡中的傳遞。
[0003] 在實踐中，電網(wǎng)負載具有阻抗、電感和電容，因此有功功率和無功功率都流向有功 負載。有功功率和無功功率的矢量和的大小，如圖1中所示，計量為表觀功率。圖中，P為 有功功率，Q為無功功率(在圖中情況下為正)，S是復數(shù)功率，而S的長度是表觀功率。在電 路中，有功功率和表觀功率之間的比率稱為功率因數(shù)，是配電系統(tǒng)效率的實際量度。對于兩 個傳遞等量有功功率的系統(tǒng)而言，具有較低功率因數(shù)的系統(tǒng)將具有較高的循環(huán)電流，所述 電流來自從負載的儲能器中返回源頭的能量。所述較高電流導致等量有功功率下的損耗升 高。具有較高功率因數(shù)的電路在等量有功功率下具有較低的表觀功率和較低的損耗。當電 壓和電流同相時，所述功率因數(shù)為1。當電流領(lǐng)先或滯后電壓90度時，所述功率因數(shù)為0。 功率因數(shù)常常描述為"領(lǐng)先"或"滯后"，以說明電流相對于電壓的相位角的符號。
[0004] 大多數(shù)電氣接線終端采用了感應電動機，造成相鄰分配線中的功率因數(shù)低，導致 高無功功率和能量浪費。因此，提高功率因數(shù)被認為是能量節(jié)約的重要途徑之一。為了提 高電網(wǎng)效率，目前廣泛應用的重要方法是原位無功功率補償技術(shù)。傳統(tǒng)上，電容器用來生成 無功功率，而電感器用來消耗無功功率。若電容器和電感器并聯(lián)，則流經(jīng)電感器和電容器的 電流傾向于相互抵消而非疊加，這是控制電力傳輸?shù)墓β室驍?shù)的基礎(chǔ)原理。典型情況下，將 并聯(lián)電力電容器插入電路中，以部分補償被電感負載"消耗"的無功功率，由此優(yōu)化其所連 接的線路的功率因數(shù)。在某些應用中，電力電容器也用于儲能，但應用有限。
[0005] 圖2所示為電網(wǎng)中原位無功補償?shù)氖疽鈭D，圖3為原位無功補償?shù)奈锢碓韴D：電 網(wǎng)的實際負載大多數(shù)為感應性的，例如，電動機和變壓器。純粹的電容性電路以領(lǐng)先電壓波 形90度的電流波形形成無功功率，而純粹的電感性電路以滯后電壓波形90度的電流波形 消耗無功功率。若我們把電容性元件適當?shù)匕惭b在電網(wǎng)的終端電路（即負載電路）中，則流 經(jīng)電容器的電流可以補償電感器電流，電流和電壓（Φ)的矢量之間的角度可以縮小，由此 提商該兀件的功率因數(shù)。
[0006] 目前，電力電容器廣泛應用于無功補償中。聚丙烯（PP)薄膜由于介電強度高，消 耗因數(shù)低且消耗因數(shù)穩(wěn)定，是目前的最常用于金屬化薄膜電力電容器的介電材料。但是， 基于PP薄膜的電力電容器還有很多缺點：i)聚乙烯的耐熱性相對較差，且對外界環(huán)境因素 (例如，化學和機械影響)較為敏感；ii)制備工藝非常復雜：基于PP的薄膜電容器的典型生 產(chǎn)工藝過程，包括薄膜拉伸和金屬化，薄膜裁切、纏繞和整平，施加金屬接觸層，加熱，浸滲， 連接終端，涂裝，最終電氣測試，等等；iii)生產(chǎn)聚乙烯、硅油和金屬化中產(chǎn)生的大量污染物 質(zhì)，會給環(huán)境和人類帶來嚴重危害。因此，為了實現(xiàn)環(huán)境和社會的可持續(xù)發(fā)展，必須尋找聚 乙烯薄膜的替代物

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于此，本發(fā)明的目的是提供一種介電材料。
[0008] -種介電材料，其原料組成及質(zhì)量百分比含量為：聚苯乙烯磺酸鈉94-98%，小分 子無機鹽2-6%。
[0009] 在其中一個實施例中，其原料組成及質(zhì)量百分比含量為：聚苯乙烯磺酸鈉96%，小 分子無機鹽4%。
[0010] 在其中一個實施例中，所述聚苯乙烯磺酸鈉的磺化度為55-60mol%。
[0011] 在其中一個實施例中，所述小分子無機鹽為任意比例混合的NaCl、KCl和NaHC03。
[0012] 在其中一個實施例中，所述NaCl、KCl和NaHCO3的比例為：0 :0:4、4:0:0、0:4:0、 2:0:2、2:2:0、0:2:2、1:2:1、1:1:2 或 2:1:1。
[0013] 本發(fā)明的另一目的是提供一種電容器。
[0014] 具體的技術(shù)方案如下：
[0015] 一種電容器，包括正極、負極和權(quán)利要求1-5任一項所述介電材料制備得到的可 極化顆粒。
[0016] 在其中一個實施例中，所述介電材料的粒徑為37-75 μ m。
[0017] 在其中一個實施例中，所述可極化顆粒的制備步驟如下：將介電材料研磨至粒徑 為37-75 μ m，然后壓模成型，再置于70-80°C常壓下的烘箱中干燥至少30min，即得。
[0018] 本發(fā)明的原理：
[0019] 本發(fā)明的電容器，其中，離子極化(或解凝聚)被推斷為該材料電容性高的原因。該 PSSNa材料結(jié)構(gòu)可以看作是具有可動Na+反荷離子的固定不動的PSS-負極柵格(或矩陣)。 所述柵格的負電荷密度如此之高（3.3X1021電荷/cm3)，以至于通過靜電引力對陽離子形 成強力的凝聚力。當所述PSSNa材料帶電荷時，所述可動陽離子朝負電極集體極化(或解凝 聚)，由此形成裝置中的電荷存儲。當該材料放電時，解凝聚的陽離子擴散返回其初始位置， 并在放電后于所述負極柵格中再次凝聚。由此，陽離子在負極中的解凝聚和凝聚對應于所 述電容器的充電和放電循環(huán)。該凝聚-解凝聚原理與靜電電容器的原理的本質(zhì)不同，在于 后者的電荷存儲是基于電介質(zhì)極化。只有電極/介質(zhì)面中的電荷對能量儲存做出了貢獻。 但是，本發(fā)明的電容器中，所有陽離子都有助于電荷積累和儲存。因此，其表現(xiàn)出高電容性。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0021] 本發(fā)明的介電材料可以應用于電容器中，利用本發(fā)明介電材料制備的電容器是電 力電容器的替代候選。可以在電網(wǎng)中的應用，用于改善電力系統(tǒng)的功率因數(shù)并提高其輸電 能力。
[0022] 本發(fā)明介電材料壓模成型后制備成可極化顆粒，將其夾在兩片石墨片之間，以液 壓壓縮，便可以制得電容器。面積為2cm2的可極化顆粒(厚I. 5mm)的額定電壓高達250V， 且其電容以ISO-Tech電感電容電阻測量計819測量達到1. 2 μ F。額定頻率50Hz下的無功 功率Q為0. 02kVar，額定電流為94mA。
[0023] 本發(fā)明電容器的性能非常穩(wěn)定，在以250V交流電壓測試1000小時后不存在明顯 的性能退化。此外，該電容器還可以通過并聯(lián)或串聯(lián)來按比例線性擴大，以滿足提高電壓或 無功功率的要求。
[0024] 從其極度的簡便性、優(yōu)秀的可擴展性和實踐可行性來看，本發(fā)明的電容器可能是 一種改變電網(wǎng)領(lǐng)域格局的裝置，為無功損失補償提供了一種可持續(xù)的解決方案。
【附圖說明】
[0025] 圖1為復數(shù)功率與有功和無功功率關(guān)系意圖；
[0026] 圖2為原位無功功率補償示意圖；
[0027] 圖3為原位無功功率補償?shù)奈锢碓硎疽鈭D；
[0028] 圖4為本發(fā)明電容器的制備工藝流程示意圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明電容器的交流電（50Hz，250V))響應圖；
[0030] 圖6為不同并聯(lián)電容器的電容；
[0031] 圖7為本發(fā)明電容器示意圖。
【具體實施方式】
[0032] 以下結(jié)合實施例與附圖對本申請做進一步闡述。
[0033] 本發(fā)明實施例一種介電材料，其原料組成及質(zhì)量百分比含量為：聚苯乙烯磺酸鈉 94-98% (優(yōu)選為96%)，小分子無機鹽2-6% (優(yōu)選為4%)。
[0034] 該介電材料的原材料是市售商品聚苯乙烯磺酸鈉（PSSNa)。PSSNa的化學結(jié)構(gòu)為 下式（a)所示，但是市售商品PSSNa的化學結(jié)構(gòu)一般是由下式（b)所示的苯乙烯和苯乙烯磺 酸鈉的共聚物，這是因為合成工藝中聚苯乙烯的部分磺化形成的。為了提高介電材料的效 率，我們需要提高磺化程度。
[0035]
[0036] 將商品PSSNa粉末溶于蒸餾水中，并在70°C左右的溫度下與硫酸混合，約2小時 后，以適量NaOH中和水相。相關(guān)化學反應如下所示。反應完成后，以旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器對溶液進 行濃縮，然后冷凍干燥，以獲得高度磺化的PSSNa粉末，該PSSNa粉末是我們的可超極化球 粒的關(guān)鍵介電材料。
[0037]
[0038] 通過上述反應可將聚苯乙烯磺酸鈉的磺化度由10_30mol%提高至55_60mol%。
[0039] 以純PSSNa粉末制成的球粒電力電容器，由于超極化的原因，可能在相對較低的 電壓下被擊穿，因此并不具備令人滿意的穩(wěn)定性。將PSSNa與少量某種小分子鹽類混合，例 如NaCl，KC1，NaHCO 3，以提高其穩(wěn)定性和實用性。在表1中列舉了介電材料的一些化學配