一种金属化聚丙烯薄膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于金属化聚丙烯薄膜，具体涉及一种金属化聚丙烯薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、金属化薄膜电容是以有机塑料薄膜做介质，在塑料薄膜表面蒸镀一层或多层金属膜代替传统金属箔作为电极，通过卷绕等方式制成的电容器。其中金属化聚丙烯薄膜因其成本低、稳定性高以及寿命长等优点在新能源汽车、可再生能源及工业变频等领域应用前景广泛。

2、随着电力电子技术向高频、高功率密度方向快速发展，新能源汽车、可再生能源及工业变频等领域对金属化聚丙烯薄膜在严苛环境下的可靠性要求也日益提高。

3、传统的金属化聚丙烯薄膜在高温下介电性能不足以及高温高湿下的性能衰退问题是制约其在更高可靠性要求场景中应用的关键瓶颈。

4、现有技术中有关兼具耐高温和耐高温高湿的金属化聚丙烯薄膜的鲜有报道，其中授权公告号为cn 117467942 b的中国专利公开了一种双面金属化聚丙烯薄膜的制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：(1)将聚丙烯薄膜浸泡于聚乙烯醇溶液中，取出干燥后得到预处理的聚丙烯薄膜；(2)在预处理的聚丙烯薄膜的一侧真空蒸镀第一铝金属层，然后在第一铝金属层表面真空蒸镀形成第一cubi合金金属层，得到单面金属化聚丙烯薄膜；(3)在单面金属化聚丙烯薄膜的另一侧真空蒸镀第二铝金属层，然后在第二铝金属层表面真空蒸镀形成第二cubi合金金属层，得到双面金属化聚丙烯薄膜。公开号为cn 117558555a的中国专利公开了一种耐高温高湿电容器用金属化聚丙烯薄膜及其制备方法和应用。所述金属化聚丙烯薄膜，包括聚丙烯薄膜和金属层，所述金属层由第一铜层、第一锌层、第二铜层和第二锌层组成，所述第一铜层位于聚丙烯薄膜表面，所述第一锌层覆盖于第一铜层表面，所述第二铜层覆盖于第一锌层表面，所述第二锌层覆盖于第二铜层表面。本发明在聚丙烯薄膜表面蒸镀形成的铜锌层相互交替的特殊金属层结构，相比于铜和锌复合层，可以赋予金属层更优异的抗氧化性，提高电容器耐高温高湿性能。

5、然而上述技术方案中的双85测试仅有500小时，无法验证其长期可靠性。

6、另外，电动汽车的工作环境温度范围通常为-40℃至105℃甚至更高，且需承受频繁的充放电循环、金属化聚丙烯薄膜电容器在工作中会因为自身功耗和环境温度变化而经历反复的温度循环，造成电容量衰减，因此金属化聚丙烯薄膜电容器的温度循环性能也是评估其在能源汽车、可再生能源及工业变频等领域在严苛环境下可靠性的重要指标，现有技术鲜有报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足而提供一种金属化聚丙烯薄膜及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种金属化聚丙烯薄膜，由下至上依次包括聚丙烯基膜、界面键合层、金属层、氧化铝层；

4、所述界面键合层由聚丙烯基膜浸渍到界面键合液中进行酰胺化反应得到；

5、所述界面键合液的原料包括：氨基化纳米二氧化硅、改性硅烷、edc（1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）、nhs（n-羟基琥珀酰亚胺）和乙醇水溶液a；

6、所述改性硅烷由氨基硅烷a、巯基硅烷、正硅酸乙酯和乙醇水溶液b混合后反应得到。

7、目前现有技术中常通过对聚丙烯基膜进行电晕、等离子体等物理预处理来增加表面极性，从而增加其与金属镀层的结合力，但在长时间的高温高湿或环境温度变化条件下，聚丙烯基膜的极性会逐渐减弱，导致二者的结合力下降，造成电容器的性能下降。

8、为解决该技术问题，本发明创造性地引入界面键合层，即将氧等离子预处理的聚丙烯基膜浸渍到界面键合液中进行酰胺化反应，氧等离子预处理聚丙烯基膜引入羧基、羟基等活性官能团，界面键合液中的氨基化纳米二氧化硅和改性硅烷在edc和nhs的作用下，通过酰胺化反应将氨基化纳米二氧化硅和改性硅烷化合键合于聚丙烯基膜表面，一方面，纳米二氧化硅的存在既可以改善聚丙烯基膜表面的粗糙度，利于金属镀层的附着，又可以提高金属化聚丙烯薄膜的耐高温性、耐高温高湿性和耐温度循环性；另一方面，本发明的改性硅烷由氨基硅烷、巯基硅烷、正硅酸乙酯和乙醇水溶液b混合后反应得到，其中的巯基基团与金属镀层具有强相互作用，进一步提高聚丙烯基膜和金属镀层的结合强度，除此之外，该改性硅烷和氨基化纳米二氧化硅形成致密的杂化网络，有效阻挡高温高湿下水分子的侵入。

9、另外，本发明还在金属层预先形成一层薄的氧化铝层，虽然会略微降低金属化聚丙烯薄膜的介电强度，但可以在一定程度进一步提高电容器的耐高温高湿性和耐温度循环性。

10、优选地，所述聚丙烯基膜的厚度为2-4μm。

11、优选地，所述聚丙烯基膜经氧等离子体预处理，所述氧等离子体预处理的气体流量为100-200sccm，离子源功率为3-6kw，时间为30-60s。

12、优选地，所述界面键合液的原料，按质量百分比计，包括：氨基化纳米二氧化硅2-6%、改性硅烷1-3%、edc 0.3-0.6%、nhs 0.3-0.5%、乙醇水溶液a补充余量至100%。

13、优选地，所述酰胺化反应的温度为30-60℃，时间为2-5h。

14、优选地，所述氨基化纳米二氧化硅由氨基硅烷b改性纳米二氧化硅制备得到。

15、优选地，所述氨基化纳米二氧化硅的制备方法为：将氨基硅烷b和乙醇水溶液c混合后，在酸性条件下进行水解，加入纳米二氧化硅混合，加热搅拌，结束后过滤，洗涤，干燥即得。

16、优选地，所述纳米二氧化硅的粒径为50-200nm。

17、优选地，所述氨基硅烷b、乙醇水溶液c和纳米二氧化硅的质量比为1-3：100：40-50。

18、优选地，所述酸性条件的ph值为2-6。

19、优选地，所述水解的温度为15-25℃，时间为1-5h。

20、优选地，所述加热搅拌的温度为50-60℃，时间为3-6h。

21、优选地，所述改性硅烷的制备方法为：将正硅酸乙酯、氨基硅烷a、巯基硅烷和乙醇水溶液b混合，调节ph为3-6，氮气保护下，先在室温条件下反应1-3h，然后升温至50-70℃，继续反应1-2h，反应结束后减压蒸馏即得。

22、优选地，所述正硅酸乙酯、氨基硅烷a、巯基硅烷和乙醇水溶液b的质量比为1-2：20-30：20-30：50-60。

23、优选地，所述氨基硅烷a、氨基硅烷b各自独立地选自γ-氨丙基三甲氧基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。

24、优选地，所述巯基硅烷选自γ-巯丙基三乙氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。

25、优选地，所述乙醇水溶液a、乙醇水溶液b、乙醇水溶液c的质量浓度各自独立地为80-90%。

26、优选地，所述金属层为铝层、锌铝合金层或镁铝合金层。

27、优选地，所述金属层通过真空蒸镀方法制备得到。

28、优选地，所述氧化铝层通过氧化方法制备得到。

29、优选地，所述金属层的厚度为100-200nm。

30、优选地，所述氧化铝层的厚度为6-8nm。

31、本发明第二方面提供了一种金属化聚丙烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

32、s1、将氧等离子体预处理的聚丙烯基膜浸渍到界面键合液中进行酰胺化反应，取出干燥，得含有界面键合层的聚丙烯基膜；

33、s2、在含有界面键合层的聚丙烯基膜的一侧真空蒸镀金属层，然后在真空氧化炉中形成氧化铝层，即得金属化聚丙烯薄膜。

34、优选地，所述真空蒸镀形成金属层包括以下步骤：将含有界面键合层的聚丙烯基膜置于真空蒸发镀膜机中，对真空蒸发镀膜机抽真空，将金属铝或锌铝合金或镁铝合金置于蒸发舟中，加热蒸发舟，启动聚丙烯基膜卷绕系统，含有界面键合层的聚丙烯基膜开始移动，金属受热蒸发的气态金属在含有界面键合层的聚丙烯基膜的一侧表面沉积形成金属层。

35、优选地，所述对真空蒸发镀膜机抽真空至1×10-3pa。

36、优选地，所述真空氧化炉中的气体为氧气，温度为140-160℃，氧气的流量为5-20sccm，在真空氧化炉中的时间为20-30min。

37、本发明第三方面提供了一种金属化聚丙烯薄膜在制备耐高温高湿电容器中的应用。

38、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

39、1、本发明创造性地引入界面键合层，即将氧等离子预处理的聚丙烯基膜浸渍到界面键合液中进行酰胺化反应，一方面，纳米二氧化硅的存在既可以改善聚丙烯基膜表面的粗糙度，利于金属镀层的附着，又可以提高金属化聚丙烯薄膜的耐高温性、耐高温高湿性和耐温度循环性；另一方面，本发明的改性硅烷由氨基硅烷、巯基硅烷、正硅酸乙酯和乙醇水溶液b混合后反应得到，其中的巯基基团与金属镀层具有强相互作用，进一步提高聚丙烯基膜和金属镀层的结合强度，除此之外，该改性硅烷和氨基化纳米二氧化硅形成致密的杂化网络，有效阻挡高温高湿下水分子的侵入。

40、2、本发明还在金属层预先形成一层薄的氧化铝层，虽然会略微降低金属化聚丙烯薄膜的介电强度，但可以在一定程度进一步提高电容器的耐高温高湿性和耐温度循环性。

41、3、经试验验证：本发明提供的金属化聚丙烯薄膜具有良好的耐热性，在室温下的介电强度>630v/μm，在105℃下的介电强度>580v/μm。

42、4、经试验验证：采用本发明提供的金属化聚丙烯薄膜制备的电容器具有良好的耐高温高湿性和耐温度循环性，双85试验500h后容量衰减率<0.4%，1000h后容量衰减率<0.9%，在-55℃（30min）与+125℃（30min）条件下交替循环100次后容量衰减率<0.7%；