一种BOPP电容膜及其制备方法与流程
本发明涉及电容膜，特别是涉及一种bopp电容膜及其制备方法。
背景技术：
1、双向拉伸聚丙烯（bopp）薄膜凭借优异的拉伸性能、良好的透明性、低气体渗透率、优异的化学稳定性以及耐寒耐热性，已广泛应用于食品、日用品和医药等包装领域。另外，bopp薄膜还具有极佳的电绝缘性能，已成为制备电容器的核心介质材料，在电子电容器、交流电机等电子领域占据不可替代的地位。
2、聚丙烯树脂由于具有本征低介电损耗、高介电击穿强度、优异的自愈性能以及价格低廉等特点，是目前制备高性能电容膜的首选材料。然而，聚丙烯分子链的固有结构特性决定了其耐高温能力存在明显短板：聚丙烯晶区中呈螺旋构象的分子链段，其运动激活温度即α松弛温度处于80～100℃区间，当工作温度超过85℃后，晶区-无定形区界面处的分子链开始发生明显松弛，界面结合力下降，会直接导致材料热收缩率增大、蠕变现象加剧；同时聚丙烯为非极性聚合物，虽具备本征介电损耗低的固有优势，但高温下材料自由体积发生膨胀，会使载流子迁移率呈指数级上升，进而引发电导损耗大幅升高、击穿强度急剧下降；此外，尽管聚丙烯的结晶熔点约为165℃，短期耐热性能可由熔点水平支撑，但其长期使用温度受晶区完善程度、无定形区分子链运动特性及热氧老化行为等多重因素共同制约。因此，现有普通bopp电容膜的长期使用温度仅为85~90℃，当工作温度超过85℃后，bopp薄膜的介电击穿强度会急剧下降，介电损耗显著升高，热收缩率增大，导致电容器整体性能发生严重劣化。特别是在电动汽车、光伏逆变器等极端应用场景中，电容器的局部工作温度往往超过100℃，甚至可达120℃以上，这使得传统bopp电容膜面临严峻的可靠性挑战和安全隐患，极大地限制了其在高端领域的应用。
3、综上所述，现有技术无法同时兼顾bopp电容膜的耐高温性能、高介电击穿强度、低介电损耗，三者之间存在难以调和的矛盾。因此，开发一种能够在100℃以上高温环境下长期稳定工作，同时保持高介电击穿强度、低介电损耗和优异力学性能的bopp电容膜，已成为当前电力电子和新能源产业发展中亟待解决的关键技术问题。
技术实现思路
1、基于此，本发明的目的在于，提供一种bopp电容膜及其制备方法，其能够在100℃以上高温环境下长期稳定工作，同时保持高介电击穿强度、低介电损耗和优异力学性能。
2、本发明是通过以下详细技术方案实现的：
3、一种bopp电容膜，包括依次设置的耐温层、芯层和光层；所述耐温层包括64~81.5wt%的聚丙烯、8~15wt%的苯乙烯接枝聚丙烯、10~20wt%的h型长支链聚丙烯和0.5~1.0wt%的抗氧剂；所述芯层包括聚丙烯；所述光层包括99~99.5wt%的聚丙烯和0.5~1.0wt%的抗粘连剂母料；
4、其中，所述苯乙烯接枝聚丙烯的苯乙烯接枝率为2%~4%；
5、所述h型长支链聚丙烯由以下制备方法制得：
6、将反应器经70℃真空与氮气吹扫循环预处理后通入氢气；加入催化剂、三乙基铝庚烷溶液、二异丙基二甲氧基硅烷庚烷溶液、烯基二甲基氯硅烷庚烷溶液以及液态丙烯，70℃下进行丙烯均聚反应，聚合产物经氮气氛围蒸汽处理，然后脱水缩合、真空干燥后，得到所述h型长支链聚丙烯。
7、申请人经研究发现，bopp电容膜在85℃以上工况下的失效主要源于两大性能短板：一是热机械耐温与长期热老化稳定性不足，二是高温介电性能快速衰减，具体表现为击穿强度骤降、电导损耗飙升。为了提高bopp电容膜的介电耐温性能，本发明在耐温层中加入了苯乙烯接枝聚丙烯，其介电耐温改性效果源于深陷阱效应与结晶细化效应的二重机制协同。由于苯乙烯侧基的苯环具有共轭π电子结构，相当于在聚丙烯主链中引入大量电子深陷阱，高温下热激发聚丙烯的载流子容易被深陷阱捕获，载流子无法参与电导输运，有利于抑制bopp电容膜泄漏电流上升，从而提高bopp电容膜在高温下的介电耐温性能；苯乙烯接枝聚丙烯中的接枝点可以作为异相成核位点，可提高耐温层中聚丙烯的成核密度，使聚丙烯球晶尺寸细化、结晶完善度提升，对载流子的散射作用增强，进一步降低电导。基于上述二重机制的协同作用，苯乙烯接枝聚丙烯可改善薄膜的介电耐温性能。
8、然而苯乙烯接枝聚丙烯主要作用于介电耐温，对聚丙烯无定形区分子链的整体约束能力有限，无法构建长效物理缠结网络，在85℃以上长期受热时的抗蠕变性能、尺寸稳定性和长期热老化稳定性仍显不足。在此基础上，为了提高bopp电容膜的机械耐温性能，本发明进一步在耐温层中引入 h 型长支链聚丙烯，所述h型长支链聚丙烯的分子结构如下：pp-g-(ch2)n-si(ch3)2-o- si(ch3)2-(ch2)n-g-pp，其中n为10,11或12。
9、该组分的核心特征是以“h型单元”为基础构建多级缠结网络，以si原子作为支化中心，对称连接两条等长或不等长的聚丙烯长分子链，整体呈字母“h”形拓扑。h型支化结构可在聚丙烯基体中形成密集的分子链缠结点，构建起物理缠结网络：一方面能强烈限制聚丙烯无定形区分子链的自由运动与自由体积膨胀，提升聚丙烯α松弛激活温度，从根源延缓聚丙烯晶区-无定形区界面的高温劣化，同时该缠结网络可减缓热老化过程中的聚丙烯分子链断裂与聚丙烯结晶崩解，提高薄膜热机械耐温性能，延长bopp电容膜的高温使用寿命；另一方面，h型支化点可作为高效异相成核位点，提升聚丙烯成核密度，细化聚丙烯球晶尺寸、提高聚丙烯结晶完善度，使聚丙烯片晶堆叠更紧密，高温下不易发生滑移与粗化，进一步增强bopp电容膜的抗热老化性能。
10、除此之外，将苯乙烯接枝聚丙烯与 h 型长支链聚丙烯按特定配比进行复配，还能发挥明显的协同效应。h型长支链聚丙烯构建的物理缠结网络可稳固晶区-无定形区界面，可抑制高温下结晶结构崩解与界面缺陷产生，减少因结构劣化产生的载流子活化位点，从源头降低高温载流子浓度，有利于改善薄膜的介电耐温性能；而苯乙烯接枝聚丙烯则可有效抑制高温电导，减缓热效应对分子链与结晶界面的持续侵蚀，从而减轻 h 型长支链聚丙烯的热老化负荷，有利于延长物理缠结网络的高温服役寿命，提高热机械耐温性能。同时，两种组分的异相成核作用形成叠加效应，协同提升聚丙烯成核密度、细化球晶尺寸，既进一步增强结晶结构的热机械高温稳定性，又同步增多微晶散射界面，协同强化介电耐温性能。
11、双向拉伸成型工艺还可与上述材料复配体系形成协同效应，进一步放大耐温改性效果。在纵横向拉伸应力场作用下，耐温层内的h型长支链聚丙烯与基体分子链同步取向，形成定向缠结网络，对分子链的约束作用显著强化，结合取向诱导结晶稳固晶区界面，提升薄膜高温抗蠕变性能与尺寸稳定性，强化热机械耐温效果；耐温层内的苯乙烯接枝聚丙烯则随分子链均匀排布，电子深陷阱分布更规整有序，载流子捕获效率提升，结合取向结晶协同强化载流子散射效应，巩固介电耐温性能。本发明通过“耐温层材料复配+双向拉伸工艺”的双重协同作用，同步提升电容膜的热机械耐温性能与介电耐温性能，实现bopp电容膜在120℃以上环境中长期稳定服役。
12、另外，本发明限定所述苯乙烯接枝聚丙烯在所述耐温层中的添加量为8~15wt%，若所述苯乙烯接枝聚丙烯在所述耐温层中的添加量过低，体系内接枝位点浓度不足，未能有效提高bopp电容膜介电耐温性；若所述苯乙烯接枝聚丙烯在所述耐温层中的添加量过高，过量苯乙烯侧链的空间位阻会阻碍聚丙烯分子链规整堆叠与片晶生长，降低结晶度与结晶完善度，容易导致在后续双向拉伸过程出现破膜的情况，影响生产顺畅性。本发明还限定所述h型长支链聚丙烯在所述耐温层中的添加量为10~20wt%，若所述h型长支链聚丙烯在所述耐温层中的添加量过低，则分子链缠结点密度不足，难以形成致密的物理缠结网络，对无定形区分子链约束作用弱，高温下自由体积膨胀明显、α松弛激活温度提升有限，晶区-无定形区界面易松动解离，导致薄膜的热机械耐温与长期热老化稳定性仍不足；若所述h型长支链聚丙烯在所述耐温层中的添加量过高，大量支链的空间位阻会干扰聚丙烯分子链的规整堆叠与片晶生长，降低整体结晶度与结晶完善度，过度密集的缠结网络还会增大薄膜内应力，高温下内应力释放易引发尺寸形变，且过量叔碳结构的支化点易成为热氧攻击的薄弱位点，双向拉伸过程中易出现晶点、厚薄不均甚至破膜，影响薄膜外观质量和生产的顺畅性。
13、而且本发明还进一步限定苯乙烯接枝聚丙烯的枝接率为2~4%，在该适当接枝率下，有利于有效抑制高温下聚丙烯基体中载流子迁移，降低薄膜电导损耗、维持薄膜击穿强度，有利于bopp电容膜介电耐温性能的提升。接枝率过低时，对薄膜高温电导的抑制效果差，无法有效缓解85℃以上薄膜击穿强度骤降、损耗飙升的介电失效问题，耐温改性效果不达预期；接枝率过高时，高密度苯乙烯侧链显著增大聚丙烯分子链的流动阻力，接枝聚丙烯熔融指数越低，易出现苯乙烯侧链局部富集与苯乙烯相和聚丙烯相之间的微观相分离，导致共混时塑化分散难度大，易形成苯乙烯接枝聚丙烯团聚体，共挤出铸片易出现晶点、鱼眼等缺陷，双向拉伸时易出现厚薄不均、拉伸破膜等问题。
14、进一步的，所述芯层中的聚丙烯的等规度为96%-97%，在230℃、2.16kg条件下熔融指数为2.0~3.5g/10min，灰分含量为10ppm~20ppm。该参数聚丙烯结晶规整度高、加工流动性优异，极低灰分可有效减少介电缺陷，保障薄膜高击穿强度与加工均匀性。
15、进一步的，所述苯乙烯接枝聚丙烯在230℃、2.16kg测试条件下熔融指数为2~4g/10min。
16、进一步的，所述苯乙烯接枝聚丙烯由以下制备方法制得：
17、以91.7~98.4wt%聚丙烯粉体为基体，0.05~0.20wt%过氧化苯甲酰（bpo）为引发剂，3.5~8.3wt%苯乙烯为单体，在水相分散体系中进行接枝反应；
18、具体地，先将聚丙烯粉体投入含去离子水的反应釜中，搅拌形成悬浮液；再加入引发剂 bpo，最后加入苯乙烯单体；60℃搅拌溶胀 1~3h 使苯乙烯单体渗入粉体内部，然后升温至 90℃并通入氮气保护引发接枝反应，产物经过滤、真空干燥后，用乙酸乙酯抽提去除未反应单体和聚苯乙烯均聚物，得到所述苯乙烯接枝聚丙烯。该制备工艺有利于实现苯乙烯单体均匀渗入聚丙烯粉体内部接枝，可控获得目标接枝率产物，保证改性效果稳定。优选地，本发明中，用于制备苯乙烯接枝聚丙烯的聚丙烯粉体采用与芯层中参数相同的聚丙烯。
19、进一步的，所述h型长支链聚丙烯在230℃、2.16kg测试条件下熔融指数2.0~3.0g/10min，支化点密度为1.0~1.5/10000c。选用上述参数范围的h型长支链聚丙烯有利于在聚丙烯基体中形成均匀致密的物理缠结网络，强效束缚聚丙烯无定形区分子链运动，显著提升聚丙烯α松弛激活温度，抑制聚丙烯高温自由体积膨胀，稳固聚丙烯晶区-无定形区界面，延缓热老化下聚丙烯分子断链与聚丙烯结晶结构崩解，bopp电容膜热机械耐温性与长期热老化稳定性提升显著，同时适量支化点作为高效异相成核位点，可均匀细化聚丙烯球晶、提高聚丙烯结晶完善度，使聚丙烯片晶堆叠更紧密，高温下不易滑移、粗化，且充足的聚丙烯微晶界面可强化载流子散射效应，也有利于降低薄膜高温电导损耗、维持薄膜击穿强度，协同苯乙烯接枝聚丙烯共同改善bopp电容膜的介电耐温性能。若支化点密度过低，因支化点数量不足难以在聚丙烯基体中构建致密的物理缠结网络，85℃以上薄膜热机械耐温提升不显著，对薄膜高温电导的抑制作用也减弱；若支化点密度过高，h型长支链聚丙烯熔体流动性降低，过高的支化点会在聚丙烯分子链间带来极强空间位阻，过度密集的缠结网络会升高bopp薄膜残余内应力，同时过多支化点的聚丙烯分子链上叔碳结构易成为热氧攻击的薄弱位点，加速聚丙烯分子链断链与聚丙烯结晶结构崩解，反而削弱薄膜长期热老化稳定性，而且薄膜加工过程中易产生晶点、鱼眼等缺陷，易出现拉伸破膜等问题。
20、进一步的，所述烯基二甲基氯硅烷为9-癸烯基二甲基氯硅烷、10-十一烯基二甲基氯硅烷和11-十二烯基二甲基氯硅烷中的一种。
21、进一步的，所述bopp电容膜的总厚度为6~12μm；其中，所述耐温层厚度为1~2μm。
22、进一步的，本发明还提供上述bopp电容膜的制备方法，包括以下步骤：
23、将各层原料按配比混匀后分别加入各挤出机内，经计量泵计量后各挤出机熔体在t型模头汇合成厚片，厚片经过激冷辊冷却后进入激冷水槽以及吹水室，接着进行纵向拉伸，随后进入横向拉伸区域进行横向拉伸得到薄膜，薄膜经过定型、电晕处理后收卷，接着进行时效处理、分切，得到所述bopp电容膜。