权利要求
1.一种含有蒙脱石纳米片的介电
储能复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.制备钠基蒙脱石(Na-MMT)悬浊液
先对钠基蒙脱石进行粉碎预处理，称取预处理后的钠基蒙脱石粉末，加入去离子水搅拌，随后对悬浊液进行超声处理，得到悬浊液a;
S2.制备改性后的钠基蒙脱石(OMMT)二维纳米片
将十六烷基三甲基溴化铵加入上述钠基蒙脱石悬浊液a中，在55～60℃恒温水浴条件下充分搅拌均匀;随后转移至反应釜中，在80～100℃下反应;反应结束后收集沉淀物并进行初步真空干燥，再将沉淀物转移至培养皿中，于60～80℃下真空干燥;干燥后研磨，得到改性后的钠基蒙脱石二维纳米片;
S3.制备聚醚酰亚胺混合溶液
将聚醚酰亚胺颗粒加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，在50～55℃恒温水浴条件下搅拌至完全溶解，得到聚醚酰亚胺分散液b;
S4.制备含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料
将改性后的钠基蒙脱石纳米片加入聚醚酰亚胺分散液b中，在50～60℃恒温水浴条件下充分搅拌，得到混合溶液c;将混合溶液c浇铸于预处理过的玻璃基板上，随后置于80℃真空烘箱中干燥，再转入200℃真空烘箱中除去溶剂;上述步骤完成后，将预制薄膜在去离子水中脱膜，所得薄膜再置于60℃真空烘箱中烘干，即得到蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料，该材料中改性后的钠基蒙脱石纳米片的质量分数为0.25%～0.75%。
2.根据权利要求1所述的一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，其特征在于：S1步骤中，所述钠基蒙脱石的搅拌在50～55℃恒温水浴条件下进行，搅拌时间为6～8h;该步骤中的悬浊液采用尖端超声处理4～5h。
3.根据权利要求1所述的一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，其特征在于：S2步骤中，所述水浴下机械搅拌的时间为4～6h;反应釜在80～100℃恒温条件下反应10～12h;真空干燥在60～80℃恒温条件下进行，时间为8～10h。
4.根据权利要求1所述的一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，其特征在于：S3步骤中，所述聚醚酰亚胺颗粒的质量与N-甲基吡咯烷酮溶液的体积比为(1.45～1.5)g:(9～10)mL;并在50～55℃恒温水浴条件下搅拌5～6h。
5.根据权利要求1所述的一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，其特征在于：S4步骤中，在60～80℃恒温水浴条件下搅拌6～8h;玻璃基板预处理的操作如下：取耐高温玻璃板，先用清水清洗2～3次，再用无尘纸擦拭干净，随后用无水乙醇清洗3～4次，最后在50～60℃下干燥2～3h，即得预处理后的玻璃基板。
6.根据权利要求1所述的一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，其特征在于：S4步骤中，所述混合溶液c浇铸前先将混合溶液c抽真空2～3h，再在预处理后的玻璃基板上刮膜。
7.根据权利要求1所述的一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，其特征在于：S4步骤中，去除溶剂的操作如下：
分别在80℃和200℃的真空烘箱中各处理10～12h;去除溶剂后，将带有预制膜的玻璃基板置于常温去离子水中冷却，随后进行脱膜;烘干水分的条件为：温度50～60℃，时间8～10h。
8.根据权利要求1-7任一项所述制备方法制得的含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的介电储能复合材料在电介质、先进微电子、电动汽车和电容器中的应用。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及介电储能技术领域，具体为一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法及应用。
背景技术
[0002]随着现代电子与电力系统技术的持续进步，聚合物薄膜电容器凭借其出色的高储能密度和高击穿强度，在相关领域的重要性日益凸显。尽管目前人们已在提升聚合物复合材料储能性能方面投入了大量精力，但在大规模工业化生产背景下，含有纳米片的复合材料仍面临击穿强度和储能密度低的问题，这一难题亟待解决。
[0003]聚醚酰亚胺作为一种性能卓越的电介质材料，在
电化学储能领域展现出广阔的应用前景。它具备优异的高温稳定性、电化学稳定性、耐腐蚀性以及低介电损耗，能够在高温、酸碱等复杂环境下稳定工作，因而在物理、化学和工程等多个领域得到了广泛应用。然而，聚醚酰亚胺的比容量相对较低，储能密度也较为有限，这在一定程度上制约了其更广泛的应用。目前，如何在低损耗的前提下提高聚醚酰亚胺的击穿强度和储能密度成了研究的核心重点。
发明内容
[0004]本发明的目的是为了解决传统聚醚酰亚胺聚合物薄膜击穿场强和介电常数低进而导致储能密度低的问题，提供一种含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的介电储能复合材料的制备方法及应用。
[0005]为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
S1.制备钠基蒙脱石(Na-MMT)悬浊液
先对钠基蒙脱石进行粉碎预处理，称取预处理后的钠基蒙脱石粉末，加入去离子水，在50～55℃恒温水浴条件下搅拌6～8h，随后采用尖端超声对悬浊液进行超声处理4～5h，得到悬浊液a。
[0006]S2.制备改性后的钠基蒙脱石(OMMT)二维纳米片
将十六烷基三甲基溴化铵加入上述钠基蒙脱石悬浊液a中，在55～60℃恒温水浴条件下机械搅拌4～6h至充分均匀;随后转移至反应釜中，在80～100℃恒温条件下反应10～12h;反应结束后收集沉淀物并进行初步真空干燥，再将沉淀物转移至培养皿中，于60～80℃恒温条件下真空干燥8～10h;干燥后研磨，得到改性后的钠基蒙脱石二维纳米片，其中十六烷基三甲基溴化铵粉末的质量分数为20%～60%。
[0007]S3.制备聚醚酰亚胺混合溶液
将聚醚酰亚胺颗粒按质量与体积比(1.45～1.5)g:(9～10)mL加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，在50～55℃恒温水浴条件下搅拌5～6h至完全溶解，得到聚醚酰亚胺分散液b。
[0008]S4.制备含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料
将改性后的钠基蒙脱石纳米片加入聚醚酰亚胺分散液b中，在60～80℃恒温水浴条件下充分搅拌6～8h，得到混合溶液c;将混合溶液c先抽真空2～3h，再在预处理过的玻璃基板上刮膜浇铸;随后置于80℃真空烘箱中干燥，再转入200℃真空烘箱中除去溶剂，其中80℃和200℃下各处理10～12h;去除溶剂后，将带有预制膜的玻璃基板置于常温去离子水中冷却，随后进行脱膜;所得薄膜再置于50～60℃真空烘箱中烘干8～10h去除水分，即得到蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料。该材料中改性后的钠基蒙脱石纳米片的质量分数为0.25%～0.75%。
[0009]其中，步骤S4中玻璃基板的预处理操作如下：取耐高温玻璃板，先用清水清洗2～3次，再用无尘纸擦拭干净，随后用无水乙醇清洗3～4次，最后在50～60℃下干燥2～3h，即得预处理后的玻璃基板。
[0010]本发明还提供上述方法制得的含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的介电储能复合材料的应用，具体为在电介质、先进微电子、电动汽车和电容器中的应用。
[0011]本发明提供了一种含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法及应用。具备以下有益效果：
1、本发明制备的含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的介电储能复合材料，通过将二维蒙脱石纳米片引入聚醚酰亚胺基体，利用纳米片的层状结构抑制电荷注入和载流子迁移，显著提升了复合材料的击穿强度和储能密度。与纯聚醚酰亚胺薄膜相比，该复合材料的放电能量密度可提高154%(当OMMT质量分数为0.5%时，放电能量密度达4.923J/cm3)，有效解决了传统复合材料储能性能不足的问题。
[0012]2、本发明制备的复合材料损耗低，在550MV/m的电场下充放电效率仍保持在80%以上，且具备优异的高温稳定性和电化学稳定性，可广泛应用于电气、先进微电子、电动汽车等领域。
[0013]3、本发明的制备工艺简便高效，原料成本低廉，无需复杂设备，易于实现大规模工业化生产，为聚醚酰亚胺储能介质的应用拓展提供了重要策略。
附图说明
[0014]图1为本发明中钠基蒙脱石的扫描电镜图;
图2为本发明复合材料的放电能量密度图;
图3为本发明复合材料的充放电效率图;
图4为本发明复合材料中钠基蒙脱石层间距变化图。
具体实施方式
[0015]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016]实施例一：
本发明实施例提供一种含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的介电储能复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
S1.制备钠基蒙脱石(Na-MMT)悬浊液
对钠基蒙脱石进行粉碎预处理，称取1g预处理后的钠基蒙脱石粉末，加入20mL去离子水，在55℃恒温水浴条件下搅拌7h，随后采用尖端超声对悬浊液进行超声处理4.5h，得到悬浊液a。
[0017]S2.制备改性后的钠基蒙脱石(OMMT)二维纳米片
将0.4g十六烷基三甲基溴化铵(质量分数40%)加入上述钠基蒙脱石悬浊液a中，在60℃恒温水浴条件下机械搅拌5h至充分均匀;随后转移至反应釜中，在90℃恒温条件下反应11h;反应结束后收集沉淀物并进行初步真空干燥，再将沉淀物转移至培养皿中，于70℃恒温条件下真空干燥9h;干燥后研磨，得到0.8g改性后的钠基蒙脱石二维纳米片。
[0018]S3.制备聚醚酰亚胺混合溶液
将1.5g聚醚酰亚胺颗粒加入10mLN-甲基吡咯烷酮溶剂中，在55℃恒温水浴条件下搅拌5.5h至完全溶解，得到聚醚酰亚胺分散液b。
[0019]S4.制备含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料
将改性后的钠基蒙脱石纳米片加入上述聚醚酰亚胺分散液b中，在70℃恒温水浴条件下充分搅拌7h，得到混合溶液c;将混合溶液c抽真空2.5h，再在预处理过的玻璃基板上刮膜浇铸(玻璃基板预处理：取200mm×16mm×4mm耐高温玻璃板，用清水清洗2次，无尘纸擦拭干净后，用无水乙醇清洗4次，最后在50℃下干燥1h);随后置于80℃真空烘箱中干燥11h，再转入200℃真空烘箱中处理11h去除溶剂;去除溶剂后，将带有预制膜的玻璃基板置于常温去离子水中冷却，随后脱膜;所得薄膜置于55℃真空烘箱中烘干9h，得到含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料，其中改性后的钠基蒙脱石纳米片的质量分数为0.5%。
[0020]实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：步骤S2中十六烷基三甲基溴化铵的质量分数为20%，其他操作及参数均与实施例一相同。
[0021]实施例三：
本实施例与实施例一的区别在于：步骤S2中十六烷基三甲基溴化铵的质量分数为60%，其他操作及参数均与实施例一相同。
[0022]实施例四：
本实施例与实施例一的区别在于：步骤S4中改性后的钠基蒙脱石纳米片的质量分数为0.25%，其他操作及参数均与实施例一相同。
[0023]实施例五：
本实施例与实施例一的区别在于：步骤S4中改性后的钠基蒙脱石纳米片的质量分数为0.75%，其他操作及参数均与实施例一相同。
[0024]图1为本发明中钠基蒙脱石的扫描电镜图，可清晰观察到蒙脱石的层状结构，该结构通过界面工程有助于提升聚合物电介质的储能性能。
[0025]图2为本发明复合材料的放电能量密度图，如图2所示，改性后的钠基蒙脱石纳米片(OMMT)的加入对聚合物放电能量密度的提升是明显的。纯聚醚酰亚胺的放电能量密度为3.2J/cm3,当含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的质量分数为99.5%/0.5%时，放电能量密度为4.923J/cm3,与纯聚醚酰亚胺薄膜相比，放电能量密度提高了154%,表明当含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺的质量分数为99.5%/0.5%时，含有蒙脱石纳米片/聚醚酰亚胺复合材料获得最优异的储能性能。
[0026]图3为本发明复合材料的充放电效率图，其中●表示纯聚醚酰亚胺薄膜，◆表示OMMT质量分数为0.25%的复合材料，▽表示OMMT质量分数为0.5%的复合材料，▲表示OMMT质量分数为0.75%的复合材料;结果显示在550MV/m电场下，所有共混复合薄膜的充放电效率均在80%以上。
[0027]图4为本发明复合材料中钠基蒙脱石层间距变化图，其中●表示纯钠基蒙脱石，◆表示CTAB质量分数为20%的改性钠基蒙脱石，▽表示CTAB质量分数为40%的改性钠基蒙脱石，▲表示CTAB质量分数为60%的改性钠基蒙脱石;结果表明经CTAB改性后的钠基蒙脱石层间距显著增大，且CTAB质量分数为40%时层间距最大。
[0028]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
说明书附图(4)
声明：
“含有蒙脱石纳米片的介电储能复合材料的制备方法及应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：上海第二工业大学
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