制造包含分散的納米顆粒的連續電介質膜的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電介質以及它們在電容器中的應用。電容器是一種存儲電荷的裝置，并且一般包括由電介質分開的兩個導電板。在理想的系統中，導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電板能夠以受控方式向系統供應電能。
【背景技術】
[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存儲電荷和延期所施加電壓的能力。電介質可以由任何合適的絕緣材料制成。介電常數和介質擊穿強度越大，能夠存儲的能量就越多。當電位差上升到高于介質強度并導致電介質電擊穿時，最終任何電容器都將失效。
[0003]電介質經常由熱塑性塑料或熱固性聚合物制成。在商業上已經使用熱塑性材料用于電容器電介質應用，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，要么獨立使用，要么與其他絕緣系統組合地使用。這些材料的相對介電常數在大約2到3.5的范圍內。已知其他電容器，例如陶瓷電容。陶瓷電容往往易碎，并且經常缺乏在非良性環境中有效工作的足夠健壯性。另外，它們缺乏基于聚合物的塑料電介質的柔性，塑料電介質能夠緊湊地卷繞，從而提供大表面面積且在高電壓/電場條件下具有對應的較高能量存儲密度。
[0004]電介質材料的介電常數依賴于頻率，因此當頻率升高時，會從第一介電常數過渡到可能具有低得多的值的第二介電常數。這是因除了電子和離子傳導機制以外偶極分子在電場中的行為方式引起的。當建立電場時，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。該機制使得能夠在電容器中存儲更多能量。在AC系統中，正弦電場致使分子根據頻率改變排列。
[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顆粒的混合物導致能量密度存儲增強。當在一定電場強度時或低于該電場強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，仿佛遍及塑料被“涂抹”一樣，由此顯著地提高總體介電常數，同時維持電介質的柔性和高電壓能力。復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。當電子迀移率是基礎聚合物和材料形態二者的函數時，重要的是確保用于擠壓膜的熔融聚合物的正確結晶，這需要受控的熱力學環境。德布羅意波長可以通過簡單地改變結晶條件而改變若干個數量級。
[0006]以這種方式混合較高介電常數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具有合適的空間分布。US2008/0262126闡述了一種方法，該方法使用復合作為實現這種分散和分布的方法。該復合步驟作為離散批次方法執行，以獲得母料，該母料被進一步處理成最終產品。然而，為了產生連續的饋送，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地混合。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是生產連續的熱塑性自由形式(不受基板支撐)的電介質膜，該電介質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)。本發明還有一個目的是在單個連續處理步驟中生產這種電介質。
[0009]因而，本發明提供了一種制作均勻地加載有分散的納米顆粒的連續自由形式的熱塑性電介質膜的方法，該方法包括如下步驟:
[0010]將熱塑性微粒饋送到擠壓機內；
[0011]噴射包括懸浮液的二次給料以形成納米復合物，所述懸浮液在液態載體中具有納米顆粒；以及
[0012]以預設速率將所述復合物擠壓到冷卻的輥上，由此能夠控制納米復合物膜的晶體結構，
[0013]其中，在將所述二次給料噴射到所述擠壓機內的同時借助于超聲發生器來連續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合物，即:控制德布羅意波長并具有適當分布和分散的顆粒。根據需要，所述顆粒可以是金屬氧化物，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，所述電容器具有許多工業上的好處。
[0016]所述方法利用同步旋轉、相互嚙合、自清潔的雙螺桿擠壓機，該擠壓機允許以受控的溫度和壓力進行高剪切率的混合。所述螺桿交錯，并且在這種情況下以相同速率同步旋轉，使得聚合物上的剪切力和流率得到控制。對于特定應用，所述螺桿可以根據所需要的剪切力和溫度反向旋轉。類似地，螺桿間距可以被改變以給予不同的流變處理效應。螺桿間距將是期望的結構和所需的厚度和晶體結構的函數，而這又取決于基礎聚合物的類型。諸如剪切力之類的參數取決于聚合物的熱彈性特性。
[0017]由納米顆粒構成的二次給料通過主擠壓機圓筒的低壓區域以給定壓力饋送到聚合物基質中。必須形成可以噴射所述二次給料的低壓區域，這些顆粒通過低壓蠕動泵噴射。這是通過在雙螺桿螺紋內設置合適的稀疏區實現的，從而使得低粘性的二次給料能夠在螺桿螺紋連續旋轉的同時進入，從而以給定速率混合開。所述二次給料在噴射到擠壓機圓筒內之前還被超聲破碎，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的間距和間隔設置，以實現期望的產出量和剪切率。超聲破碎可以使用液體儲存器(作為標準)來執行，或者可以通過利用超聲發生器流動池來執行。流動池可以產生更高效的氣穴現象，這是由于通過流動池泵送的全部材料都緊密靠近超聲發生器探頭。
[0018]該方法允許形成特別長的、潛在地連續的柔性電介質條帶，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。這種條帶的優點是不需要用基板進行支撐。由于該方法是沒有分批的單個過程，因此聚合物不可能經受成批產品聚合物(其中塑料經受若干次加熱/冷卻循環)的熱降解。單個過程遠非能量密集型過程，不可能在過程中引入雜質或薄弱點。
[0019]本發明相比于現有的納米復合物膜處理技術提供了顯著的益處，這是因為所有其他技術都使用成批處理方法，而本發明可以在單個連續處理布置中制造大規模納米復合物電介質膜。在工業中被廣泛接受的是，連續處理方法由于若干原因而固有地更節約成本，例如:敏感材料的駐留時間更短，獲得最終產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圓筒的多于一個的部分處。例如，在某些情況下，產生耗損電介質可能是有利的。在不期望電荷經久不消的應用中(換言之，例如在機械工人需要確定電荷已分散的汽車應用中)，電介質可以被設計成以不減小其能量存儲能力的方式在預定時期上釋放電荷。這可以通過在系統中引入電子來實現。電介質中的一些損耗通過納米顆粒的偶極松弛來進行。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。