儲能高分子材料的膜態設計與試驗研究

馬一春

（柯艾國際商貿（上海）有限公司，上海 200051）

高分子聚合材料的出現給電子工業、醫療產業、基礎物理和化學研究、新材料應用等領域提供了更多機會[1]。在電子工業領域，高分子聚合材料已經表現出如下優勢：該類型材料的抗擊穿能力強、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的高分子聚合材料還有一些待解決的問題，例如該類型材料的剩余極化較高，增加了工作過程中的能量損失[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型材料的儲能效率，就成為高分子聚合材料的未來發展方向。該文進行了高分子聚合材料的膜態化設計，并通過試驗分析其基本性能和儲能性能。

1 儲能高分子材料的膜態設計

在電子工業領域，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是應用較廣泛的高分子聚合材料，其主要優勢為介電性能為線性、成品的透明度高、材料加工原理簡單且加工過程方便且價格低、性價比高，因此受到電子產品制造市場的青睞。

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，其擊穿強度可以得到進一步提升，能量密度也較高。

隨著新材料技術的不斷發展，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物（MG）的出現，已經表現出了比聚甲基丙烯酸甲酯更優異的性能。二者相比較而言，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物，它的介電性能、抗擊穿性能、儲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，尤其是儲能性能的情況。

新材料樣本的制作過程如下：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-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的固態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-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的總質量應保持在2g的水平。將2種材料倒入基底溶液后，保持工作溫度為40℃，繼續均勻攪拌720min，確保2種固態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置為10%、20%、30%、40%，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物材料的占比分別設置為90%、80%、70%、60%。再通過刮膜機進行有效控制，在工作溫度為60℃的條件下，將高分子材料液態物質流延、烘干成膜態物質，制備好的新的高分子材料膜態厚度為12μm。新型高分子聚合材料的膜態制備物效果如圖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與分析

對電子工業而言，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定可靠地工作，需要選擇介電常數高、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其介電性能進行驗證，結果如圖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組曲線對比情況可以看出，隨著頻率的不斷增加，6組曲線的整體態勢呈現出緩慢下降的趨勢。其中，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物材料的介電常數曲線處在最低位置，隨著頻率不斷增加，介電常數從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曲線位置稍高一些，隨著頻率不斷增加，介電常數從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曲線位置更高一些，隨著頻率不斷增加，介電常數從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曲線隨著頻率不斷增加，介電常數從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曲線位置再高一些，隨著頻率不斷增加，介電常數從10.5逐步減至7.7。聚偏氟乙烯材料的介電常數曲線位置最高，隨著頻率不斷增加，介電常數從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種材料的介電常數曲線均出現緩慢下滑，但并不影響其介電工作的安全性。對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。

進一步觀察新型高分子聚合材料的電導率變化曲線，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。除了聚偏氟乙烯的曲線變化有較大波動外，其他曲線均呈現出近似斜率的線性增長變化。試驗中的6種材料的電導率均有所增高，但最大電導率仍然<0.0001S/m，表明這些材料具有較好的導電性能。其中聚偏氟乙烯的電導率變化幅度較明顯。

圖3 新型高分子聚合材料的電導率變化曲線

3 高分子材料的擊穿強度試驗與分析

在電子工業領域的應用中，高分子材料的安全性主要體現在抗擊穿強度的大小，與介電常數相比，其反應的性能更直接。為了確保電子元件不被擊穿并穩定可靠地工作，需要選擇抗擊穿強度高的材料。因此，第二組試驗對生成的新的高分子聚合材料進行了驗證，結果如圖4所示。

圖4 新型高分子聚合材料的抗擊穿強度曲線

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度為430MV/m，低于甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的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度最低，為300MV/m。

從6組試驗的柱狀圖對比可以看出，在相同情況下，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的抗擊穿強度均高于聚甲基丙烯酸甲酯材料。從各組試驗的橫向對比來看，聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物抗擊穿強度最高。

4 高分子材料的儲能性能試驗與分析

提高儲能性能是該文研究的關鍵，因此在證實了合成的新型高分子材料的基本性能后，進一步測試其儲能性能，結果如圖5所示。

圖5 新型高分子聚合材料的儲能額度曲線

從圖5可以看出，第一組別下，聚甲基丙烯酸甲酯材料的儲能額度為4J/cm3，低于甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的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-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的8J/cm3。第六組別下，純聚偏氟乙烯材料的儲能額度最低，為4J/cm3。

從6組試驗的柱狀圖對比情況可以看出，在相同情況下，甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物的儲能額度均高于聚甲基丙烯酸甲酯材料。從各組試驗的橫向對比來看，聚偏氟乙烯占比30%的甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸環氧丙酯共聚物儲能額度最高。

5 結論

為了滿足電子工業對均有更高穩定性、更高儲能效率新材料的需求，該文研制了一種新型膜態高分子材料。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材料。其次，給出了新型高分子材料的制備流程、詳細的制備過程和試驗條件。最后，對已經制備出的新型高分子材料進行試驗研究，對介電常數、抗擊穿強度和儲能額度進行了分析和試驗。試驗結果顯示，新型高分子材料的介電常數高、抗擊穿強度高且儲能額度大。