TW202040596A - 高電壓介電層結構與其製造方法 - Google Patents

高電壓介電層結構與其製造方法 Download PDF

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Abstract

一種高電壓介電層結構，其包括有：一介電層以一聚合物(Polymer)為介電質，且該聚合物內均勻添加有重量百分比為0.1wt%至1wt%的氧化物，該氧化物由複數個雲母片與複數個氧化石墨烯(Graphene Oxide；GO)所構成，該氧化石墨烯相對該聚合物之重量百分比為0.5wt%至0.01wt%，且該氧化石墨烯貼附於該雲母片的片狀兩表面上，藉由該氧化物添加於該聚合物內，讓該介電層於未增加介電損耗之情況下提高介電常數。

Description

高電壓介電層結構與其製造方法
本發明係有關於一種塑膠電容器之介電層，尤指一種高電壓介電層結構與其製造方法。
按，因為其儲能與輸出脈衝的能力，電容在電器產品應用上比比皆是，電容器依照使用的介電質種類分為鉭電解電容、鋁電解電容、陶瓷電容、塑膠薄膜電容、超級電容等，而該塑膠薄膜電容器具有耐高壓特性及低損失因子等特性，廣泛應用於耐高壓的電壓電路中，因此目前大功率脈衝大多採用塑膠薄膜電容做為儲能元件。再者，提高介電常數和電容器電場強度都是提高電容器能量密度的有效方式，但高介電常數的材料存在較大的極性其介電損失較大，頻率影響特性較差，因此難以應用於高頻脈衝。又提高原本非極性介質的介電常數及提高電場強度對於高功率脈衝而言是最顯著的有效的方法，非極性而且損失因子低的介電材料中目前屬聚丙烯(Polypropylene；PP)的性能最佳，但其介電常數低導致尺寸較大為其主要的問題點，是故本創作欲於保持原有特性之條件下有效提升其介電常數，俾以改善習知塑膠電容器之缺點。
有鑑於此，本發明人於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。
本發明所欲解決之技術問題在於針對現有技術存在的上述缺失，提供一種高電壓介電層結構，其包括有：一介電層以一聚合物(Polymer)為介電質，且該聚合物內均勻添加有重量百分比為0.1wt%至1wt%的氧化物，該氧化物由複數個雲母片與複數個氧化石墨烯(Graphene Oxide；GO)所構成，該氧化石墨烯相對該聚合物之重量百分比為0.5wt%至0.01wt%，且該氧化石墨烯貼附於該雲母片的片狀兩表面上，藉由該氧化物添加於該聚合物內。
其中，該聚合物為聚丙烯(Polypropylene；PP)或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)。
其中，該氧化石墨烯呈麟片狀，且該氧化石墨烯加雲母片的比表面積為300~3000m2/g。
其中，該氧化石墨烯以官能基貼附於該雲母片。
其中，該氧化物表面另繞設有複數條奈米纖維束，藉此提高該氧化石墨烯與該雲母片之結合強度。
又提供一種高電壓介電層結構之製造方法，其步驟為：步驟一：該奈米級雲母片使用預先於甲醇溶液中水解的乙烯基三甲氧基矽烷進行接官能基，在接官能基的過程中批次式的滴加預先分散於甲醇的氧化石墨烯，再以超音波震盪使該氧化石墨烯均勻分散於所滴加的溶液中，使氧化石墨烯透過官能基貼附於該雲母片的片狀兩表面上，最後進行真空乾燥得到該雲母片與該氧化石墨烯所構成的氧化物；以及步驟二：該氧化物添加PPgMA相容劑進行均勻混合後，再將該氧化物加入聚合物進行混煉，再透過熱壓成型製成介電層成品。
其中，該聚合物為聚丙烯(Polypropylene；PP)或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)。
其中，在步驟一前，先將粉碎後之雲母(micare)置入氫氧化鉀溶液內，並以水熱法加熱讓鉀離子插層於雲母內，再經由微波加熱使雲母膨脹後，以超音波震盪形成雲母層與層之間的脫離，再經由7500rpm的離心旋轉持續3分鐘，且吸取上層清澈溶液後再添加去離子水稀釋氫氧化鉀溶液，重複離心及添加去離子水至氫氧化鉀溶液達酸鹼值為PH7，藉此取出奈米級的雲母片。
其中，在步驟二中之甲醇溶液以酸鹼值PH4.5~5.5水解乙烯基三甲氧基矽烷，其水解保持攝氏65度且持續時間為1小時。
其中，在步驟二中該氧化物與PPgMA相容劑之混合比例為1比3，且該聚合物與該氧化物之混煉參數為70rpm、維持溫度為攝氏180~220度及維持時間10分鐘。
本發明的第一主要目的在於，對該介電層之聚合物添加重量百分比為0.1wt%至1wt%的氧化物，且該氧化物由雲母片與氧化石墨烯所構成，又該氧化石墨烯相對該雲母片之重量百分比為0.5wt%至0.01wt%，該氧化石墨烯貼附於該雲母片的片狀兩表面上，能透過該片狀的雲母片增加電流穿透介電層之路徑長，並配合該氧化石墨烯的材料特性提高其介電常數，進而在藉此讓該介電層於未增加介電損耗之情況下提高介電常數。
本發明的第二主要目的在於，該雲母片使用預先於甲醇溶液中水解的乙烯基三甲氧基矽烷進行接官能基，在接官能基的過程中批次式的滴加預先分散於甲醇的氧化石墨烯，再以超音波震盪使該氧化石墨烯均 勻分散於所滴加的溶液中，使氧化石墨烯透過官能基貼附於該雲母片的片狀兩表面上，以該雲母片為基底能防止氧化石墨烯於聚合物內形成團聚堆積，可以避免氧化石墨烯於聚合物內形成導電通路，藉此製程能有效利用氧化石墨烯提高該介電層之電容特性。
其他目的、優點和本發明的新穎特性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加顯明。
〔本創作〕
100‧‧‧介電層
10‧‧‧聚合物
20‧‧‧氧化物
21‧‧‧雲母片
22‧‧‧氧化石墨烯
23‧‧‧奈米纖維束
第1圖係本發明介電層斷面示意圖。
第2圖係本發明之氧化物示意圖。
第3圖係本發明以奈米纖維束固定氧化物之示意圖。
第4圖係本發明之雲母片製程示意圖。
第5圖係本發明雲母片製程之流程圖。
第6圖係本發明氧化物製程之流程圖。
第7圖係本發明介電層製程之流程圖。
為使 貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如後：先請由第1圖與第2圖所示觀之，一種高電壓介電層結構，其包括有：一介電層100以一聚合物10(Polymer)為介電質，該聚合物10為聚丙烯(Polypropylene；PP)或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)，該聚合物10內均勻添加有重量百分比為0.1wt%至1wt%的氧化物20，該氧 化物20由複數個雲母片21與複數個氧化石墨烯22(Graphene Oxide；GO)所構成，該氧化石墨烯22相對該聚合物10之重量百分比為0.5wt%至0.01wt%，該氧化石墨烯22呈麟片狀，且該氧化石墨烯22加雲母片21的比表面積為300~3000m2/g，又該氧化石墨烯22貼附於該雲母片21的片狀兩表面上，且該氧化石墨烯22是以官能基貼附於該雲母片21，藉由該氧化物20添加於該聚合物10內，讓該介電層100於未增加介電損耗之情況下提高介電常數，本創作之另一實施例，配合第3圖所示，該氧化物20表面另繞設有複數條奈米纖維束23，藉此提高該氧化石墨烯22與該雲母片21之結合強度，即能降低該氧化石墨烯22與該雲母片21分離脫落之情況，俾以提高其生產良率與該介電層100性能。
再請由第4圖連續至第7圖所示觀之，一種高電壓介電層之製造方法，其步驟包括有：前置步驟(第4、5圖)：先將雲母剪碎置入行星式球磨機中以轉數730rpm搭配氧化鋯球旋轉打碎，配合正轉、逆轉(每方向持續30分鐘)循環30次以達到粉碎之目的，再將粉碎後之雲母(micare)置入0.9M氫氧化鉀溶液內，並在熱循換式烘箱中進以水熱法加熱讓鉀離子插層於雲母內，持溫參數分別為240、250、260℃各3小時，取出後用600W微波10分鐘休息10分鐘重複6次，使***層之雲母受到微波而進行膨脹，再用超音震盪8小時輔助雲母層與層之間的脫離，脫離該雲母片21後，經由7500rpm的離心旋轉持續3分鐘，且吸取上層清澈溶液後再添加去離子水稀釋氫氧化鉀溶液，重複離心及添加去離子水至氫氧化鉀溶液達酸鹼值為PH7，進而製作並取出奈米級的雲母片21；步驟一(第6圖)：該雲母片21使用預先於甲醇溶液中水解的乙烯基三甲氧基矽烷進行接官能基，在接官 能基的過程中批次式的滴加預先分散於甲醇的氧化石墨烯22，再以超音波震盪使該氧化石墨烯22均勻分散於所滴加的溶液中，使氧化石墨烯22透過官能基貼附於該雲母片21的片狀兩表面上，最後進行真空乾燥得到該雲母片21與該氧化石墨烯22所構成的氧化物20，其中，甲醇溶液以酸鹼值PH4.5~5.5水解乙烯基三甲氧基矽烷，其水解保持攝氏65度且持續時間為1小時；步驟二(第7圖)：該氧化物20添加PPgMA相容劑進行均勻混合後，該氧化物20與PPgMA相容劑之混合比例為1比3，且該聚合物10與該氧化物20之混煉參數為70rpm、維持溫度為攝氏180~220度及維持時間10分鐘，再將該氧化物20加入聚合物10進行混煉，再透過熱壓成型製成介電層100成品，又該熱壓成型參數為攝氏215度持續加壓7分鐘，並維持壓力冷卻至室溫，該介電層100能應用於塑膠電容器，藉此有效的於未增加介電損耗之情況下提高介電常數，俾以兼具提升電容量與降低漏電量之功效。
藉上述具體實施例之結構，可得到下述之效益：(一)、對該介電層100之聚合物10添加重量百分比為0.1wt%至1wt%的氧化物20，且該氧化物20由雲母片21與氧化石墨烯22所構成，又該氧化石墨烯22相對該聚合物10之重量百分比為0.5wt%至0.01wt%，該氧化石墨烯22貼附於該雲母片21的片狀兩表面上，能透過該片狀的雲母片21增加電流穿透介電層100之路徑長，並配合該氧化石墨烯22的材料特性提高其介電常數，進而在藉此讓該介電層100於未增加介電損耗之情況下提高介電常數；(二)、該雲母片21使用預先於甲醇溶液中水解的乙烯基三甲氧基矽烷進行接官能基，在接官能基的過程中批次式的滴加預先分散於甲醇的氧化石墨烯22，再以超音波震盪使該氧化石墨烯22均勻分散於所滴加的溶液中，使氧化石 墨烯22透過官能基貼附於該雲母片21的片狀兩表面上，是故，在聚合物10內添加微量奈米雲母可以增加其介電常數、電容量及介電強度，且該氧化石墨烯22為完全離散的單層石墨材料若將其表面完全釋放，其所特有的皺摺和疊加效果可以形成奈米孔道及孔洞增加電容量，以該雲母片21為基底能防止氧化石墨烯22於聚合物10內形成團聚堆積，可以避免氧化石墨烯22於聚合物10內形成導電通路，藉此製程能有效利用氧化石墨烯22提高該介電層100之電容特性。
綜上所述，本發明確實已達突破性之結構設計，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上之利用性與進步性，且本發明未見於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法相關法條之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請 鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。
唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧介電層
10‧‧‧聚合物
20‧‧‧氧化物
21‧‧‧雲母片
22‧‧‧氧化石墨烯

Claims (10)

  1. 一種高電壓介電層結構，其包括有：一介電層以一聚合物(Polymer)為介電質，且該聚合物內均勻添加有重量百分比為0.1wt%至1wt%的氧化物，該氧化物由複數個雲母片與複數個氧化石墨烯(Graphene Oxide；GO)所構成，該氧化石墨烯相對該聚合物之重量百分比為0.5wt%至0.01wt%，且該氧化石墨烯貼附於該雲母片的片狀兩表面上，藉由該氧化物添加於該聚合物內，讓該介電層於未增加介電損耗之情況下提高介電常數。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之高電壓介電層結構，其中，該聚合物為聚丙烯(Polypropylene；PP)或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之高電壓介電層結構，其中，該氧化石墨烯呈麟片狀，且該氧化石墨烯加雲母片的比表面積為300~3000m2/g。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之高電壓介電層結構，其中，該氧化石墨烯以官能基貼附於該雲母片。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之高電壓介電層結構，其中，該氧化物表面另繞設有複數條奈米纖維束，藉此提高該氧化石墨烯與該雲母片之結合強度。
  6. 一種高電壓介電層之製造方法，其步驟包括有：步驟一：該奈米級雲母片使用預先於甲醇溶液中水解的乙烯基三甲氧基矽烷進行接官能基，在接官能基的過程中批次式的滴加預先分散於甲醇的氧化石墨烯，再以超音波震盪使該氧化石墨烯均勻分散於所滴加的溶 液中，使氧化石墨烯透過官能基貼附於該雲母片的片狀兩表面上，最後進行真空乾燥得到該雲母片與該氧化石墨烯所構成的氧化物；以及步驟二：該氧化物添加PPgMA相容劑進行均勻混合後，再將該氧化物加入聚合物進行混煉，再透過熱壓成型製成介電層成品。
  7. 根據申請專利範圍第5項所述之高電壓介電層之製造方法，其中，該聚合物為聚丙烯(Polypropylene；PP)或聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride；PVDF)。
  8. 根據申請專利範圍第5項所述之高電壓介電層之製造方法，其中，在步驟一前，先將粉碎後之雲母(micare)置入氫氧化鉀溶液內，並以水熱法加熱讓鉀離子插層於雲母內，再經由微波加熱使雲母膨脹後，以超音波震盪形成雲母層與層之間的脫離，再經由7500rpm的離心旋轉持續3分鐘，且吸取上層清澈溶液後再添加去離子水稀釋氫氧化鉀溶液，重複離心及添加去離子水至氫氧化鉀溶液達酸鹼值為PH7，藉此取出奈米級的雲母片。
  9. 根據申請專利範圍第5項所述之高電壓介電層之製造方法，其中，在步驟一中之甲醇溶液以酸鹼值PH4.5~5.5水解乙烯基三甲氧基矽烷，其水解保持攝氏65度且持續時間為1小時。
  10. 根據申請專利範圍第5項所述之高電壓介電層之製造方法，其中，在步驟二中該氧化物與PPgMA相容劑之混合比例為1比3，且該聚合物與該氧化物之混煉參數為70rpm、維持溫度為攝氏180~220度及維持時間10分鐘。
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