本文是一篇电力论文，本文对商用BOPP薄膜进行微观结构表征及电性能测试，探究了BOPP薄膜电容高温性能劣化的关键因素，提出基于紫外光辐照接枝BOPP薄膜高温储能性能改性方法。
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
在20世纪60年代，聚酯纤维、尼龙等材料在工业领域广泛应用，其中聚酯材料可以拉至几微米薄膜，电容器的绝缘薄膜因此产生，由于聚丙烯薄膜介电强度高、损耗低，所以其得到广泛应用[1-3]。近年来，薄膜电容器产业在全世界发展迅速，且国内电容器企业逐渐发展，其广泛应用于电子、家电、通讯等各个领域。随着数字化建设的迅速发展，我国在诸多领域加大投入，快速升级换代的消费类电子产品、持续增加的市场需求，对薄膜电容器所用电介质材料的耐高温特性也有了更严格的要求，因此，耐高温、大电容薄膜电容器有更加广阔的应用前景[4-11]。
新能源行业是薄膜电容器应用较为广泛的领域，近几年中国薄膜电容市场规模持续扩大，随着国内在智能电网、光伏等方面的政策扶持和投入加大，伴随着消费类电子产品的升级换代、工业控制技术提升，高端薄膜电容器市场仍会稳步增长，近年来，相关领域企业与科研院所致力于开发具有优异高温性能的电容薄膜[12-14]。2018年沙特基础工业公司推出了聚醚酰亚胺耐高温电容膜，其耐受温度高达150 ℃，理论上能够满足直流支撑电容的使用需求，但因其自愈性及力学性能较差，商品产业化尚待时日。
BOPP薄膜具有较低的介质损耗和较高的耐击穿性等优良特性，是电容器的薄膜电介质材料的首选，但是在工业应用中，BOPP薄膜的使用温度上限为105 ℃，在超过其温度上限的高温区间内使用时会产生较大的介质损耗[15-17]。而在新能源汽车功率控制单元中，工作环境温度较高（约120 ℃），在这种高温条件下，只有增加冷却系统，才能保障电容器正常工作，但这会大幅增加设备总体积，经济成本较高，造成资源浪费，不利于电容器设备的小型化，因此急需开发耐高温介电材料制备薄膜电容器。目前国内已有多家企业致力于研究耐高温电容薄膜，其中厦门法拉电子当属电容薄膜行业标杆，公司拥有领先的科技技术，几十年的发展历史，目前其公司已形成较为完备的自主研发体系，主要从事薄膜电容器的工业研发与批量生产，技术成熟，种类涵盖量广[18-24]。但是，我国高性能薄膜材料依赖进口严重，是限制相关产业发展的“卡脖子”问题。商用电容膜的性能与相关行业持续发展需求的不匹配和新能源汽车市场的快速扩容，都使得耐高温电容薄膜材料和其生产装置具有广阔的市场前景[25-27]。
1.2 国内外研究现状
BOPP是一种重要的储能电容器薄膜，其最高工作电场高达650 kV/mm，电容薄膜在高温高场工作时，会注入大量的空间电荷，这对电容器危害较大[28-33]。在直流电场的作用下，电容薄膜中出现不对称的双极性空间电荷注入，随着实验温度的升高，负电荷的积累逐渐占主导[34-37]。因此，优化聚丙烯的高温性能，提高其在高温下的工作稳定性是当前的工作重点，目前，电容膜的改性方法主要为有机共混、无机掺杂、构筑表面势垒层、接枝和交联等[38-47]。
1.2.1 有机共混改性
由于聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数，Han等人[48]通过共混热压法将PP与PVDF结合，提高了薄膜的放电能量密度（Ue）和充放电效率（η）。两种材料介电常数差异较大，且PP分布均匀，与PVDF有耦合作用，在界面区域充分积累空间电荷，增强界面极化，提高整体介电常数。共混物的质量分数为5/95和10/90 wt%（PP/PVDF）时，Ue和η值最高。例如，5/95共混物的Ue和η分别为7.6 J/cm3和62%。该方法简单有效地将PP与PVDF共混，且共混物中氟原子与PP中的氢原子形成氢键，降低了损耗，提高了极化强度。
Ümit等人[49]使用紫外线（UV）照射使低密度聚乙烯（LDPE）和PP共交联。由于紫外线的照射，聚合物的红外吸收峰强度发生了轻微的变化，表明聚合物中发生了分子链断裂和交联。紫外光照射可能会影响材料的分子链结构，导致部分分子链断裂，缩短聚合物的平均分子链长度，从而提高结晶度。除了对不同混合比的LDPE和PP的结构进行研究，还对其介电性能进行了详细的讨论，随着紫外光照射时间的增加，原子中电子发生电离，从原来的平衡位置位移到相邻的晶格位置，复合介质中存在自由移动的载流子，部分束缚的载流子到某个俘获中心，故聚合物的损耗随之增加，紫外光照射下介电损耗峰值的增加表明共混物中存在交联现象，此外，样品介电谱中出现高强度的介电损耗峰，表明分子振动的存在。
第2章 实验材料与测试方法
2.1 主要实验原料与实验设备
表2-1列出了紫外光辐照接枝BOPP薄膜的制备所需要的药品。表2-2为制备材料及测试过程中所需实验仪器。
2.2 试验样品结构表征
2.2.1 X-射线衍射分析
X 射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是确定材料晶体结构的常用方法。本实验所用的测试仪器为德国Bruker公司APEXⅡ型X射线分析仪，实验选用铜靶进行检测，测试温度为25-125 ℃，X射线波长为0.15418 Å，测试过程中电流和电压分别为40 mA和40 kV，测试范围选择2θ=10-90°，步长选择为 0.1°，每步停留时间为2 s。
2.2.2 水接触角
水接触角可以衡量薄膜与水的相容性，本文选用JY-82静滴接触角/界面张力测试仪，采取量角法对薄膜进行水接触角的测定。
2.2.3 傅里叶变换红外光谱
傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种将数学处理方法与计算机技术和红外光谱学相结合的分析鉴定方法。本文实验采用NEXUS 670型号的FTIR测试仪对薄膜和溶液进行了分子结构分析，实验测试范围500-4000 cm-1。
2.2.4 X-射线光电子能谱
X射线光电子能谱技术（XPS）是一种典型的表面元素分析手段，也是一种定性以及半定量测量手段。本实验使用K-Alpha设备，测试过程样品室的真空度为9.8×10-10 Torr，激发源为Al kα射线（hν=1486.6 eV）。
第3章 商用BOPP薄膜的介电性能研究 ......................... 11
3.1 商用BOPP薄膜结构表征 ................................... 11
3.1.1 BOPP薄膜的晶相结构 ............................. 11
3.1.2 BOPP薄膜的表面结构 ................................ 13
第4章 丙烯酸接枝BOPP薄膜的制备与性能研究 ................... 17
4.1 丙烯酸接枝BOPP薄膜的制备方法 ............................... 17
4.2 丙烯酸接枝BOPP薄膜的反应机理 ......................... 18
第5章 有机小分子接枝BOPP多层薄膜制备与性能研究 .............................. 34
5.1 丙烯酸脂接枝BOPP薄膜的制备 ........................ 34
5.2 BOPP-AA多层薄膜的制备 ............................. 35
第5章 有机小分子接枝BOPP多层薄膜制备与性能研究
5.3 BOPP-XX多层接枝薄膜的结构表征
由于上一部分重点探究了BOPP-AA薄膜的微观结构以及电荷抑制机理，故本章不再重复分析接枝薄膜的微观结构以及表面电位特征，重点对BOPP-XX薄膜的储能性能进行测试。为验证BOPP-XX薄膜的成功接枝，对BOPP-BA-5、BOPP-MA-5、BOPP-MMA-5进行XPS测试，测试结果如图5-1所示，在532eV处，BOPP-XX-5薄膜的峰值均高于BOPP薄膜，说明接枝薄膜中氧元素含量均有提升，所以BOPP-XX薄膜成功接枝。
结论
本文对商用BOPP薄膜进行微观结构表征及电性能测试，探究了BOPP薄膜电容高温性能劣化的关键因素，提出基于紫外光辐照接枝BOPP薄膜高温储能性能改性方法。制备了丙烯酸接枝BOPP薄膜，通过微观结构分析、电性能测试，与仿真相结合，分析并探究了相应机理，对接枝薄膜的优缺点进行探究。主要研究结果如下：
（1）高温高场下BOPP薄膜原位XRD和红外光谱测试结果表明，温度由室温升高至150 ℃，BOPP薄膜分子链结构和晶相结构无明显变化，说明BOPP薄膜在高温强电场耦合条件下性能劣化的根本原因并非结构热稳定性差，而金属电极电荷注入为主要因素。
（2）基于紫外光辐照接枝技术，制备了不同辐照时间的BOPP-AA-1、BOPP-AA-5、BOPP-AA-10薄膜试样。研究表明，表面接枝的有机小分子层对BOPP薄膜的表面形貌结构影响不大，但高温泄漏电流有所降低，说明接枝抑制了电荷注入。仿真结果表明，由于接枝BOPP-AA薄膜的分子结构和局部应力发生改变，有效抑制了电荷在分子链内部及分子链之间的迁移。
（3）由于接枝引入极性基团，BOPP-AA薄膜的介电常数增加，在25 ℃时，BOPP-AA-5的介电常数由2.26提升至2.42（1 kHz），但紫外光辐照会导致分子链断裂等副反应的发生，接枝薄膜的介电损耗升高。通过表面电位等结果可以证明：辐照接枝引入深陷阱，抑制电荷的注入与迁移，提升薄膜的介电与储能性能。在125 ℃时，BOPP-AA-5具有最高的储能密度（Ue为1.32 J/cm3，η为90%）和击穿场强（532.1 kV/mm），相同条件下BOPP薄膜的Ue为0.28 J/cm3，Eb为493.2 kV/mm。
参考文献（略
