文汝紅，鄭夏蓮

(宜春學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000)

薄膜電容器又稱塑料薄膜電容，以塑料薄膜為電解質(zhì)。薄膜電容器擁有電擊穿性高、耐候性好、體積小卻儲能大等特點[1]，占據(jù)了電容器高端市場的一片領(lǐng)域。同時，與傳統(tǒng)電容器相比，在更高的電場環(huán)境下，薄膜電容器以自身的慢速失效機(jī)理可以進(jìn)行正常作業(yè)。薄膜電容器有很多種類，如聚酯(PET)電容、聚丙烯(PP)電容和聚苯硫醚(PPS)薄膜等，其制作工藝為：先把塑料做成一個薄膜，然后纏繞成圓柱體，中間加一個電極，最后進(jìn)行封裝，制備出標(biāo)準(zhǔn)的薄膜電容器。PET制成的薄膜電容器耐電擊穿性較好，多應(yīng)用于對耐熱要求不高的電子儀器和家用電器。PP制成的薄膜電容器儲電量大，一般應(yīng)用于車輛和機(jī)器。采用PPS制備而成的薄膜電容器，最顯著的優(yōu)勢是耐候性好，由于很多材料應(yīng)用在室外，經(jīng)受風(fēng)雨、寒暑，陽光甚至是細(xì)菌的各種破壞，在更高的耐候性市場需求下，需探索出一些高性能的材料用來制備基礎(chǔ)電容器[2-5]，PPS 以自身的優(yōu)越耐候性廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各項高科技領(lǐng)域[6-8]。

由于PPS 相比于PET 價格要昂貴許多，為了降低PPS的制作成本，可以添加一些填充料在其中，如納米蒙脫土[9-10]。馬瑞雪[11]發(fā)現(xiàn)納米蒙脫土可以增加材料的拉伸強(qiáng)度，黎宴良等[12]發(fā)現(xiàn)納米蒙脫土可以提高耐熱性。由于PPS 的韌性不夠，容易因卷繞步驟導(dǎo)致薄膜破損，故筆者在PPS 中添加了增韌劑乙烯-乙酸乙烯共聚物/苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(EVAC/SEBS)。

滑石粉作為一種填充劑，可以增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度。針狀硅灰石呈纖維狀，有著特殊的三斜晶系，也因此有著以較高的耐候性和耐熱性，其也可以作為一種增強(qiáng)劑，提高材料的耐磨損性能。目前市面上的PPS 材料擊穿強(qiáng)度集中在900 kV/mm 以下，PET 材料是650 kV/mm，PP 材料是400 kV/mm左右，但是因為高端電容器的擊穿強(qiáng)度要達(dá)到1 000 kV/mm 以上，所以提高PPS 的電擊穿性能是首要問題。薄膜是以片層結(jié)構(gòu)來阻礙電流擊穿的，八鈦酸鉀晶須以自身獨特的空間結(jié)構(gòu)再次提高了薄膜的電流擊穿性能，二者結(jié)合，把Ti，K 和加在納米蒙脫土里的Si，K連在一起，生成一個兩K的虛擬鍵，八鈦酸鉀晶須里面有K，納米蒙脫土是包含Na，K，Ti，Si，K和Na會形成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使其抗電擊穿性大幅度提高，所以筆者在PPS 中添加了八鈦酸鉀晶須和納米蒙脫土。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PPS (高黏)：PPS-R-10-5002C，美國查佛龍菲利普有限公司；PPS (低黏)：P-4，美國查佛龍菲利普有限公司；納米蒙脫土：TY-710C，廣州億峰化工科技有限公司；

滑石粉：SY868，東莞市廣碩化工有限公司；

EVAC/SEBS 共混物：CH520，金華市搏佳塑膠科技有限公司；

針狀硅灰石：ZZGSHF-14，江西上高縣雪峰粉體有限公司；

八鈦酸鉀晶須：16522，上海亞國化工有限責(zé)任公司；

抗氧劑：3114，青島杰得佳新材料科技有限公司；

玻璃纖維：HZ17709，廣州市昊兆化工有限公司；

偶聯(lián)劑：KH-560，廣州市中杰化工有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

高速攪拌機(jī)：DHX-2 型，佛山市鏵馳環(huán)保設(shè)備有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)：TSE-35 型，南京瑞亞設(shè)備有限公司；

注塑機(jī)：80T型，臺州市眾樂注塑機(jī)銷售有限公司；

維卡軟化點測定儀：JH-WK300型，上海佳驊有限公司；

紫外線老化試驗機(jī)：JK-QUV-1300 型，蘇州江凱機(jī)械設(shè)備有限公司；

工頻電壓擊穿試驗儀：NOMEX410 型，中航時代儀器設(shè)備有限公司；

智能電子拉力試驗機(jī)：XLW (PC)型，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3 試樣制備

(1) 混合均勻。

向高速攪拌機(jī)中按表1 的配比加入PPS (高黏)、PPS (低黏)、滑石粉、納米蒙脫土、EVAC/SEBS、針狀硅灰石、八鈦酸鉀晶須和抗氧劑，加熱到50 ℃，再緩慢添加偶聯(lián)劑KH-560。PPS 是一種具有多黏度的特種工程塑料，低黏度的PPS流動性能優(yōu)異，有利于在其中添加附屬添加劑，在雙螺桿中擠塑比較順暢，易于加工，但是低黏度塑料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度相比于高黏度PPS 較有較大程度的下降，所以筆者選擇復(fù)配兩種黏度的PPS材料。選用高分子化合物為100 的配方表示法，即兩種PPS 的總和為100份，其它組分則以相對于PPS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。高黏PPS與低黏PPS添加的質(zhì)量分別是56，44 g，抗氧劑和偶聯(lián)劑KH-560在PPS中的加入量不變，均為0.5 g?；鄣挠昧恳来螢?，4，6，8 g；納米蒙脫土的用量依次為2.5，5，7.5，10 g；EVAC/SEBS 的用量依次為10，7.5，5，2.5 g；針狀硅灰石的用量依次為10，7.5，5，2.5 g；八鈦酸鉀晶須的用量依次為2，2.5，3，3.5 g；高速攪拌機(jī)中攪拌40～50 min，讓材料混合至均勻，得到改性PPS材料。

表1 改性PPS材料的配比 g

(2)擠出改性PPS材料。

將高速攪拌機(jī)中攪拌均勻的材料依次擠出，分批次將不同配比材料緩慢倒入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)料倉中，在螺桿第七節(jié)加入玻璃纖維，玻璃纖維每次加入的用量均為4.5 g。雙螺桿擠出機(jī)溫度都設(shè)定為230，250，280，330，340，310，300，280，300，330 ℃，雙螺桿速度設(shè)定為360 r/min。

(3)注塑成型。

擠出得到的改性PPS 材料放入注塑機(jī)進(jìn)料倉內(nèi)，經(jīng)注塑機(jī)均勻注塑成測試所需標(biāo)準(zhǔn)樣板，注塑機(jī)溫度設(shè)定為310，330，330，350 ℃。得到標(biāo)準(zhǔn)待測樣板，用來測試性能。

1.4 測試與表征

拉伸強(qiáng)度按GB/T 4944-2005測試，拉伸速度為3 mm/min；

彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341-2008測試，彎曲速度為2 mm/min；

耐高溫溫度按GB/T 7141-2008測試，待測樣板厚度為2 mm；

抗紫外老化按GBT 164223 測試，使用熒光紫外燈；

抗電擊穿性按GB/T1408.1-2016 測試，待測平板厚度為100 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米蒙脫土、滑石粉對改性PPS的影響

滑石粉潤滑性優(yōu)異，因其層狀的晶體結(jié)構(gòu)，均勻添加在PPS 材料中可以起到支撐作用[13]，添加不同用量的滑石粉，PPS 的拉伸和彎曲強(qiáng)度都得到不同的提升。納米蒙脫土有優(yōu)異的改性功能，添加少量的納米蒙脫土可以改良材料分散性差、穩(wěn)定性差的特點[14]。添加滑石粉用量分別為2，4，6，8 g，抗氧劑與偶聯(lián)劑KH-560均為0.5 g，玻璃纖維4.5 g，通過注塑機(jī)得到的新型改性PPS 材料，考察了用量分別為2.5，5，7.5，10 g 的納米蒙脫土，在不同用量的滑石粉下對改性PPS材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的影響。

圖1為不同滑石粉用量和納米蒙脫土用量下改性PPS材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。從圖1可以看出，滑石粉用量和納米蒙脫土用量對拉伸強(qiáng)度有著較大的影響，隨著滑石粉用量的增加，改性PPS材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均呈先增加后降低的趨勢。當(dāng)滑石粉用量低于4 g 時，納米蒙脫土對拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響較大；當(dāng)滑石粉用量達(dá)到4 g后，納米蒙脫土對拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響較小。當(dāng)滑石粉用量為4 g，納米蒙脫土為5 g時，改性PPS材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均達(dá)到最大值，其值分別為260 MPa和475 MPa。

圖1 不同滑石粉用量和納米蒙脫土用量下改性PPS材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度

2.2 EVAC/SEBS用量對改性PPS材料的影響

EVAC/SEBS 是一種增韌劑[15]，SEBS 以塑料硬段的特性，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中起到了物理交聯(lián)點的作用，加入不同比例EVAC/SEBS，熔融體的彈性會發(fā)生變化。由于PPS 韌性不夠，容易因卷繞步驟導(dǎo)致薄膜破損，故筆者在PPS 中添加了增韌劑EVAC/SEBS。接下來考察受EVAC/SEBS增韌影響的擊穿強(qiáng)度指標(biāo)。通過注塑機(jī)得到的改性PPS 材料，其中EVAC/SEBS 的用量為2.5，5，7.5，10 g，分別考察了不同用量EVAC/SEBS對改性PPS擊穿強(qiáng)度的影響。

圖2 為不同EVAC/SEBS 用量下改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度。從圖2可以看出，EVAC/SEBS用量為2.5 g 時，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度最低，此時擊穿強(qiáng)度為32 kV/mm；隨著EVAC/SEBS用量的增加，改性PPS材料的擊穿強(qiáng)度隨之增加，并在EVAC/SEBS用量達(dá)到7.5 g 時，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度最好，此時擊穿強(qiáng)度為40 kV/mm；持續(xù)增加EVAC/SEBS的用量，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度有所下降。當(dāng)EVAC/SEBS用量達(dá)到10 g，此時改性PPS材料的擊穿強(qiáng)度下降到35 kV/mm。由此可見，添加適量的EVAC/SEBS 可以提高改性PPS 的擊穿強(qiáng)度，當(dāng)EVAC/SEBS 的用量為7.5 g 時，改性PPS 的擊穿強(qiáng)度最高，達(dá)到了40 kV/mm。

圖2 不同EVAC/SEBS用量下改性PPS材料的擊穿強(qiáng)度

2.3 針狀硅灰石和八鈦酸鉀晶須的用量對改性PPS材料的影響

針狀硅灰石普遍呈纖維狀，有著特殊的三斜晶系，也因此有著較高的耐候性、耐熱性。針狀硅灰石和EVAC/SEBS 也是一種增塑劑，可以提高材料的耐磨損性能[16]。通過注塑機(jī)得到的改性PPS 材料，繼續(xù)考察用量為10，7.5，5，2.5 g的針狀硅灰石，在不同用量的八鈦酸鉀晶須下對改性PPS材料的耐高溫溫度、抗紫外線等級和擊穿強(qiáng)度的影響。圖3為不同八鈦酸鉀晶須用量下不同針狀硅灰石用量的改性PPS材料的性能。從圖3a和圖3b可以看出，隨著八鈦酸鉀晶須用量的逐漸增加，改性PPS 材料的耐高溫溫度與抗紫外線等級呈先增加后降低的趨勢。而添加不同用量的針狀硅灰石的改性PPS材料，其耐高溫溫度與抗紫外線等級沒有明顯的變化。當(dāng)八鈦酸鉀晶須的用量為2.5 g，針狀硅灰石用量為7.5 g時改性PPS材料耐高溫溫度最佳，此時耐高溫強(qiáng)溫度達(dá)到了300 ℃，抗紫外線等級也達(dá)到最佳，此時抗紫外線等級達(dá)到了40+。

圖3 不同八鈦酸鉀晶須用量下不同針狀硅灰石用量的改性PPS材料的性能

從圖3c 可以看出，當(dāng)八鈦酸鉀晶須的用量為2 g 時，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度得到顯著的提升。當(dāng)針狀硅灰石用量為10 g 時，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度最高達(dá)到1 140 kV/mm；隨著八鈦酸鉀晶須用量的逐漸加大，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)八鈦酸鉀晶須的用量為2.5 g 時，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度達(dá)到最高，其中針狀硅灰石用量為7.5 g 時，改性PPS 材料的擊穿強(qiáng)度達(dá)到最高，此時擊穿強(qiáng)度為1 200 kV/mm；隨著八鈦酸鉀晶須用量的進(jìn)一步增加，改性PPS材料的擊穿強(qiáng)度有所下降，當(dāng)八鈦酸鉀晶須用量增加到3 g時，此時改性PPS材料的擊穿強(qiáng)度在1 150 kV/mm 左右；當(dāng)八鈦酸鉀晶須用量為3.5 g時，此時改性PPS材料的擊穿強(qiáng)度在1 110 kV/mm左右；由此可見，當(dāng)八鈦酸鉀晶須用量為2.5 g，針狀硅灰石用量為7.5 g 時，改性PPS 材料的擊穿性能最佳，此時擊穿強(qiáng)度到達(dá)1 200 kV/mm。

薄膜是以片層結(jié)構(gòu)存在來阻礙電流擊穿的，八鈦酸鉀晶須以自身獨特的空間結(jié)構(gòu)再次提高了薄膜的電流擊穿性能，二者結(jié)合，把Ti，K 和加在納米蒙脫土里的Si，K兩個連在一起，生成一個兩K的虛擬鍵，八鈦酸鉀晶須里面有K，納米蒙脫土是一個Na，K，Ti，Si 結(jié)構(gòu)，其中K 和Na 會形成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使其抗電擊穿性能大幅度提高。

3 結(jié)論

加入填充料為5 g 的納米蒙脫土，并添加用量為4 g 的滑石粉，再添加用量為7.5 g 的EVAC/SEBS，得到的改性PPS 材料具有較好的綜合性能，其拉伸強(qiáng)度為260 MPa，彎曲強(qiáng)度為475 MPa，擊穿強(qiáng)度為40 kV/mm。

當(dāng)使用八鈦酸鉀晶須的用量為2.5 g，針狀硅灰石用量為7.5 g 時，改性PPS 材料耐高溫性能最佳，耐高溫溫度達(dá)到了300 ℃；抗紫外線等級達(dá)到最佳，抗紫外線等級達(dá)到了40+。改性PPS材料的抗電擊穿性能最佳，擊穿強(qiáng)度達(dá)到1 200 kV/mm，并且改性PPS材料的各項性能都有所增加。用此配比制備的改性PPS材料，各項性能均最佳，最適合用來制備新型薄膜電容器。