制造包含分散的納米顆粒的連續(xù)電介質(zhì)膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電介質(zhì)以及它們在電容器中的應(yīng)用。電容器是一種存儲電荷的裝置，并且一般包括由電介質(zhì)分開的兩個導(dǎo)電板。在理想的系統(tǒng)中，導(dǎo)電板保持它們的電荷，直到需要放電為止，并且在這樣做的方法中導(dǎo)電板能夠以受控方式向系統(tǒng)供應(yīng)電能。
【背景技術(shù)】
[0002]影響電容的因素有板的面積、它們的間隔以及它們之間的電介質(zhì)存儲電荷和延期所施加電壓的能力。電介質(zhì)可以由任何合適的絕緣材料制成。介電常數(shù)和介質(zhì)擊穿強(qiáng)度越大，能夠存儲的能量就越多。當(dāng)電位差上升到高于介質(zhì)強(qiáng)度并導(dǎo)致電介質(zhì)電擊穿時，最終任何電容器都將失效。
[0003]電介質(zhì)經(jīng)常由熱塑性塑料或熱固性聚合物制成。在商業(yè)上已經(jīng)使用熱塑性材料用于電容器電介質(zhì)應(yīng)用，例如，所述熱塑性材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯和聚苯乙烯，其中PET和PP最普遍。熱固性聚合物也普遍使用，要么獨(dú)立使用，要么與其他絕緣系統(tǒng)組合地使用。這些材料的相對介電常數(shù)在大約2到3.5的范圍內(nèi)。已知其他電容器，例如陶瓷電容。陶瓷電容往往易碎，并且經(jīng)常缺乏在非良性環(huán)境中有效工作的足夠健壯性。另外，它們?nèi)狈诰酆衔锏乃芰想娊橘|(zhì)的柔性，塑料電介質(zhì)能夠緊湊地卷繞，從而提供大表面面積且在高電壓/電場條件下具有對應(yīng)的較高能量存儲密度。
[0004]電介質(zhì)材料的介電常數(shù)依賴于頻率，因此當(dāng)頻率升高時，會從第一介電常數(shù)過渡到可能具有低得多的值的第二介電常數(shù)。這是因除了電子和離子傳導(dǎo)機(jī)制以外偶極分子在電場中的行為方式引起的。當(dāng)建立電場時，偶極分子沿著以及迎著場線排列自身，在這樣做的方法中偶極分子能夠增加材料的能量存儲能力。該機(jī)制使得能夠在電容器中存儲更多能量。在AC系統(tǒng)中，正弦電場致使分子根據(jù)頻率改變排列。
[0005]申請GB 1004393.3證明，聚合物與遍及該聚合物分散的高介電常數(shù)顆粒的混合物導(dǎo)致能量密度存儲增強(qiáng)。當(dāng)在一定電場強(qiáng)度時或低于該電場強(qiáng)度時顆粒尺寸接近電子的德布羅意波長時，顆粒像電子一樣表現(xiàn)，仿佛遍及塑料被“涂抹”一樣，由此顯著地提高總體介電常數(shù)，同時維持電介質(zhì)的柔性和高電壓能力。復(fù)合物的德布羅意波長由材料中的電子迀移率和所施加的電場(即電子漂移速度)來確定。當(dāng)電子迀移率是基礎(chǔ)聚合物和材料形態(tài)二者的函數(shù)時，重要的是確保用于擠壓膜的熔融聚合物的正確結(jié)晶，這需要受控的熱力學(xué)環(huán)境。德布羅意波長可以通過簡單地改變結(jié)晶條件而改變?nèi)舾蓚€數(shù)量級。
[0006]以這種方式混合較高介電常數(shù)的顆粒從而在材料中具有正確分布比較重要。顆粒必須遍及聚合物分散和分布。
[0007]已知必須引入高剪切率以確保顆粒在聚合物內(nèi)具有合適的空間分布。US2008/0262126闡述了一種方法，該方法使用復(fù)合作為實(shí)現(xiàn)這種分散和分布的方法。該復(fù)合步驟作為離散批次方法執(zhí)行，以獲得母料，該母料被進(jìn)一步處理成最終產(chǎn)品。然而，為了產(chǎn)生連續(xù)的饋送，這種原地混合是不可能的，并且在該過程中沒有辦法確保顆粒變成適當(dāng)?shù)鼗旌稀?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是生產(chǎn)連續(xù)的熱塑性自由形式(不受基板支撐)的電介質(zhì)膜，該電介質(zhì)膜均勻地加載有分散的納米顆粒(在所有尺寸上都是納米制)。本發(fā)明還有一個目的是在單個連續(xù)處理步驟中生產(chǎn)這種電介質(zhì)。
[0009]因而，本發(fā)明提供了一種制作均勻地加載有分散的納米顆粒的連續(xù)自由形式的熱塑性電介質(zhì)膜的方法，該方法包括如下步驟:
[0010]將熱塑性微粒饋送到擠壓機(jī)內(nèi)；
[0011]噴射包括懸浮液的二次給料以形成納米復(fù)合物，所述懸浮液在液態(tài)載體中具有納米顆粒；以及
[0012]以預(yù)設(shè)速率將所述復(fù)合物擠壓到冷卻的輥上，由此能夠控制納米復(fù)合物膜的晶體結(jié)構(gòu)，
[0013]其中，在將所述二次給料噴射到所述擠壓機(jī)內(nèi)的同時借助于超聲發(fā)生器來連續(xù)地混合所述二次給料。
[0014]這種方法使得能夠以如下方式形成納米復(fù)合物，即:控制德布羅意波長并具有適當(dāng)分布和分散的顆粒。根據(jù)需要，所述顆?？梢允墙饘傺趸?，例如二氧化鈦，所述聚合物可以是PET、聚苯乙烯、聚對二甲苯、聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯。
[0015]術(shù)語“自由形式”是指所述膜并沒有被支撐在基板上。這意味著體積減小、柔性增加，并且重要的是使得電容器能夠被卷繞。這是高電容、高能量密度存儲、高電壓電容器的基礎(chǔ)，所述電容器具有許多工業(yè)上的好處。
[0016]所述方法利用同步旋轉(zhuǎn)、相互嚙合、自清潔的雙螺桿擠壓機(jī)，該擠壓機(jī)允許以受控的溫度和壓力進(jìn)行高剪切率的混合。所述螺桿交錯，并且在這種情況下以相同速率同步旋轉(zhuǎn)，使得聚合物上的剪切力和流率得到控制。對于特定應(yīng)用，所述螺桿可以根據(jù)所需要的剪切力和溫度反向旋轉(zhuǎn)。類似地，螺桿間距可以被改變以給予不同的流變處理效應(yīng)。螺桿間距將是期望的結(jié)構(gòu)和所需的厚度和晶體結(jié)構(gòu)的函數(shù)，而這又取決于基礎(chǔ)聚合物的類型。諸如剪切力之類的參數(shù)取決于聚合物的熱彈性特性。
[0017]由納米顆粒構(gòu)成的二次給料通過主擠壓機(jī)圓筒的低壓區(qū)域以給定壓力饋送到聚合物基質(zhì)中。必須形成可以噴射所述二次給料的低壓區(qū)域，這些顆粒通過低壓蠕動泵噴射。這是通過在雙螺桿螺紋內(nèi)設(shè)置合適的稀疏區(qū)實(shí)現(xiàn)的，從而使得低粘性的二次給料能夠在螺桿螺紋連續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)入，從而以給定速率混合開。所述二次給料在噴射到擠壓機(jī)圓筒內(nèi)之前還被超聲破碎，以提高所述二次給料中納米顆粒的分散。與螺桿之間的高剪切率一起，超聲破碎確保納米顆粒遍及聚合物分散和分布。所述螺桿及其螺紋可以以適當(dāng)?shù)拈g距和間隔設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)期望的產(chǎn)出量和剪切率。超聲破碎可以使用液體儲存器(作為標(biāo)準(zhǔn))來執(zhí)行，或者可以通過利用超聲發(fā)生器流動池來執(zhí)行。流動池可以產(chǎn)生更高效的氣穴現(xiàn)象，這是由于通過流動池泵送的全部材料都緊密靠近超聲發(fā)生器探頭。
[0018]該方法允許形成特別長的、潛在地連續(xù)的柔性電介質(zhì)條帶，該條帶能夠通過與鋁箔或任何其他合適的金屬或非金屬電極交織而卷繞成電容器。這種條帶的優(yōu)點(diǎn)是不需要用基板進(jìn)行支撐。由于該方法是沒有分批的單個過程，因此聚合物不可能經(jīng)受成批產(chǎn)品聚合物(其中塑料經(jīng)受若干次加熱/冷卻循環(huán))的熱降解。單個過程遠(yuǎn)非能量密集型過程，不可能在過程中引入雜質(zhì)或薄弱點(diǎn)。
[0019]本發(fā)明相比于現(xiàn)有的納米復(fù)合物膜處理技術(shù)提供了顯著的益處，這是因?yàn)樗衅渌夹g(shù)都使用成批處理方法，而本發(fā)明可以在單個連續(xù)處理布置中制造大規(guī)模納米復(fù)合物電介質(zhì)膜。在工業(yè)中被廣泛接受的是，連續(xù)處理方法由于若干原因而固有地更節(jié)約成本，例如:敏感材料的駐留時間更短，獲得最終產(chǎn)品的總處理時間最短，誤差引入減少，對處理的控制最大。
[0020]可能的是，可以將不同的納米顆粒噴射到擠壓機(jī)圓筒的多于一個的部分處。例如，在某些情況下，產(chǎn)生耗損電介質(zhì)可能是有利的。在不期望電荷經(jīng)久不消的應(yīng)用中(換言之，例如在機(jī)械工人需要確定電荷已分散的汽車應(yīng)用中)，電介質(zhì)可以被設(shè)計(jì)成以不減小其能量存儲能力的方式在預(yù)定時期上釋放電荷。這可以通過在系統(tǒng)中引入電子來實(shí)現(xiàn)。電介質(zhì)中的一些損耗通過納米顆粒的偶極松弛來進(jìn)行。附加電子可以引入更大的阻抗分量。這通常是不期望的，但是在僅對一定時期來說期望能量存儲而安全要求需要將電放掉的一些情況下，這將具有效用。