一种双轴取向聚丙烯电容膜及其制备方法与流程

本发明涉及电容器用薄膜，具体为一种双轴取向聚丙烯电容膜及其制备方法。

背景技术：

1、bopp(biaxially oriented polypropylene)，即双轴取向聚丙烯薄膜，它具有优异的拉伸性能、良好的透明性和光泽度、低气体渗透率、优异的化学稳定性以及耐寒耐热性等等，广泛应用于食品、日用品和医药等不同的包装领域；除此之外，由于bopp薄膜还具有极其优异的电性能和耐温耐压性而被作为电容膜应用于家用电器、电子电容器和交流电机等电子领域。

2、随着电容器用bopp薄膜需求的快速增长，柔性输变电、超高压电网、智能电网等下游客户迫切要求开发高压电容器，而此种电容器的关键核心材料是bopp膜。为了满足应用，除了要求该电容膜具有较高的介电击穿强度、良好的耐温性、低介电损耗等，还要求具有良好的机械性能。

3、因此，如何获得一种具有更优介电击穿强度、耐温性、低介电损耗且良好机械性能的双轴取向聚丙烯电容薄膜，成为当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种双轴取向聚丙烯电容膜及其制备方法，通过合理的配方设计和薄膜层结构设计，使薄膜的预期功能得到实现，从而提供一种综合性能优异，且容易加工、耐热性高、高介电常数、低介电损耗、介电击穿强度优异和力学性能好的双向拉伸聚丙烯薄膜，广泛使用在各种不同的电容膜领域，具有很好的市场应用前景，可以有效解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双轴取向聚丙烯电容膜，包括自上而下呈三层结构设置的上表层、中间层和下表层，按质量份数计，所述上表层包括以下组分：1～6份的防粘母粒、0.01～2份的β成核剂、1～7份的聚4-甲基戊烯、1～6份的无机纳米粒子填料、79～97.49份的聚丙烯。

3、中间层包括以下组分：0.01～2份的α成核剂，98～99.99份的聚丙烯。

4、下表层包括以下组分：1～6份的防粘母粒、0.01～2份的β成核剂，1～7份的聚4-甲基戊烯，1～6份的无机纳米粒子填料，79～97.49份的聚丙烯。

5、作为本发明的一种优选技术方案，无机纳米粒子填料的制备方法包括以下步骤：

6、步骤1、将冰醋酸加入反应器中，在速度为10～100rpm的磁力搅拌器作用下加热至30～40℃并搅拌10～60min；

7、步骤2、将醋酸钡加入并充分搅拌20～40min，使醋酸钡完全溶解；

8、步骤3、接着加入2,4-戊二酮，在30～45℃水浴加热下充分搅拌20～60min，使2,4-戊二酮与溶液充分混合均匀；

9、步骤4、将钛酸四丁酯和无水乙醇加入反应器，在20～35℃水浴加热下充分搅拌1～4h，使得钛酸四丁酯与溶液充分混合均匀；

10、步骤5、在充分反应的溶液中加入二氧化钛和氧化镁，放入超声仪器中分散1～4h，使分散均匀；

11、步骤6、加入增稠剂，调节溶液粘度，制成溶胶纺丝液；

12、步骤7、采用普通静电纺丝装置，用铜箔做接地处理，用硅油纸做收集，采用3～6ml带针头的针管，对配置好的纺丝液针头与收集板间距10～20cm下进行纺丝实验，电压10～40kv；

13、步骤8、在n2或惰性气保护下，以10～20℃/min升温至500～600℃，并保温1～3小时，再以10～30℃/min升温至700～800℃，保温2～5小时，进行煅烧处理；

14、步骤9、对煅烧后的无机粒子进行气相研磨，然后干燥，得到最终的纳米无机粒子填料。

15、作为本发明的一种优选技术方案，步骤6中，增稠剂为n-乙烯基酰胺类聚合物。

16、作为本发明的一种优选技术方案，纳米无机粒子填料的组分中，按质量份数计包括：冰醋酸10～15、醋酸钡10～25、2,4-戊二酮10～25、钛酸四丁酯10～25、二氧化钛0.1～2、氧化镁0.1～2、增稠剂0.01～0.8、无水乙醇5.2～59.79。

17、作为本发明的一种优选技术方案，β成核剂为顺式-1,2-环戊烷二甲酸、二丁基二硫代二甲基环己基氨基甲酸铵按质量份数比为1：1配制而成。

18、作为本发明的一种优选技术方案，α成核剂为二(对氯取代苄叉)山梨醇、甲基六氢邻苯二甲酸铝按质量份数比为1：1配制而成。

19、作为本发明的一种优选技术方案，聚丙烯为均聚聚丙烯，其等规度大于等于98％，熔融指数2～5g/10min，其灰分低于30ppm。

20、作为本发明的一种优选技术方案，防粘母粒按质量份数计包括以下组分：1～5份的润滑剂、1～8份的开口剂、87～98份均聚聚丙烯。

21、作为本发明的一种优选技术方案，该双轴取向聚丙烯电容膜的厚度为3～10μm；其中，上表层和下表层的厚度为0.5～1μm；中间层的厚度为1～9μm。

22、一种双轴取向聚丙烯电容膜的制备方法，包括以下步骤：

23、s1、备料：将各层挤出机所需的原料按配方比例放入高速搅拌机进行充分混合，然后再通过双螺杆挤出机在180～250℃的温度下熔融挤出、拉条、冷却、切粒和干燥后，备用；

24、s2、熔融挤出：将上表层、中间层和下表层的原料通过各自的挤出机在180～250℃的温度下熔融塑化挤出，经过衣架型模头流出；

25、s3、铸片：采用高压气刀将熔体贴附在冷鼓上形成厚片，其中厚片的厚度为80～200μm，冷鼓的温度为80～120℃，气刀所使用气体的温度为80～125℃；

26、s4、双向拉伸：将步骤s3得到的膜片进行同步拉伸，所使用的拉伸技术为磁悬浮线性电机同步拉伸工艺；其中，预热温度为100～150℃，拉伸温度为130～170℃，热定型温度为135～175℃，定型时间为1～50s，纵、横向拉伸倍率为(4～8)*(5～9)倍，接着薄膜进行冷却；

27、s5、收卷：将步骤s4得到的膜经中性区空气冷却后，经牵引系统进行电晕后处理，电晕处理功率为4～20wmin/m2，然后进入收卷系统进行膜片收卷，收卷张力为10～80n/m；

28、s6、分切：将收卷后的薄膜按要求进行分切，最后得到所述的双轴取向聚丙烯电容膜，薄膜厚度为3～10μm。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1、本发明的电容膜采用多层结构设计，形成的三层膜结构具有高储能密度、高耐温、低损耗等优势。两表层为高介电常数的聚合物膜层，中间层保持了薄膜的耐温性、低损耗、高击穿强度。当对该电容薄膜施加电场时，高介电常数层中的离子和自由电子将迁移并集聚在界面处，这样不仅在相邻层界面处存在着有效阻挡作用，还能抑制绝缘层中导电通道的形成，由于不同层介电常数的差异，施加电压将更多集中在低介电常数层上，因此可以有效保护高介电常数层不被过早击穿。而单层结构无法避免和降低因原料金属灰份和其它杂质引起的横拉破膜和产品耐电压、耐温性能下降，而且无二级结构，产品所承受拉伸应力相对集中，极易断裂，造成产品后续加工中报废。

31、2、要提高介电材料的储能密度，需提高其相对介电常数和抗击穿电场强度。无机填料一般具有成千上万的高介电常数，但是其抗击穿电场强度较低。相反，聚合物具有高抗击穿电场强度，但其介电常数低，显然单组分的无机填料或者聚合物均不是理想的介电材料。无机填料/聚合物介电复合材料由于兼具无机填料的介电常数和聚合物的抗击穿电场、低损耗和柔性等特点。

32、3、普通的无机粒子，尤其是纳米无机粒子通过熔融共混方式添加，不仅无机粒子难以均匀分布于聚合物基体中，且无机粒子在聚合物基体中也容易团聚，从而导致难以加工成薄膜产品，实用性差。而本发明采用的无机纳米粒子填料包括纳米二氧化钛、钠米氧化镁与纳米钛酸钡，以此原料通过静电纺丝技术制备得到的纳米无机粒子填料，能够得到钛酸钡包覆纳米二氧化钛/氧化镁多结构复合体，该复合体为高长径比的纳米无机粒子填料，高长径比的结构具有更大的偶极矩使得介电性能更优，同时还可防止纳米二氧化钛和氧化镁团聚，降低介电损耗，使填料在基体中分散更均匀。

33、4、由于纳米无机粒子填料/聚合物具有低渗流阈值，因而只需要添加少量就能达到介电常数的峰值，与传统的无机纳米填料相较，其更容易在聚合物基体中分散均匀，因而保持了聚合物基体高抗击穿电场的优势。

34、5、在上表层和下表层通过选择聚4-甲基戊烯与聚丙烯进行共混，可实现耐温性的提高，同时两者具有较好的相容性，避免了不相容引起的薄膜破裂或其它物理缺陷的产生。此外，该物质的添加基本能保持聚丙烯的结晶度，从而保证了电介质性能。

35、6、通过在表层添加β成核剂，聚丙烯β晶的晶胞结构不如α晶稳定，在进行拉伸时，β晶会向稳定的α晶转化，能起到薄膜表面粗化，有利于后续蒸镀时加强界面结合力，同时也能够使薄膜具有良好的机械性能和尺寸稳定性。

36、7、低灰分和高结晶能够保证薄膜具有低介质损耗、高介电强度，在薄膜中间层添加α成核剂，增加了薄膜中α晶体的含量，并且其结构致密，分子链排列更紧密，可有效提升薄膜的耐电压性，同时也能有效提升薄膜的耐热性。

37、8、本发明所制备的薄膜，用途广泛、性能突出，且其容易加工，生产工艺简单、生产效率高、容易实现工业化。

38、9、本发明提供一种双轴取向聚丙烯电容膜及其制备方法，通过合理的配方设计和薄膜层结构设计，使薄膜的预期功能得到实现，从而提供一种综合性能优异，且容易加工、耐热性高、高介电常数、低介电损耗、介电击穿强度优异和力学性能好的双向拉伸聚丙烯薄膜，广泛使用在各种不同的电容膜领域，具有很好的市场应用前景。