一種高性能超薄聚丙烯電容器薄膜及其制造方法
【專利摘要】一種高性能超薄聚丙烯電容器薄膜及其制備方法，采用高純度電工級聚丙烯原料，依次通過熔融擠出，鑄片，再以40～50倍的拉伸比進(jìn)行雙向同步拉伸，然后依次經(jīng)冷卻定型、切邊和電暈處理，得到厚度為2～4μm的成品的聚丙烯電容膜。采用本發(fā)明方法制得的聚丙烯電容膜，熱收縮率縱向（MD）為1.5%～2.5%，橫向（TD）為0.15%～0.5%，特別適用于大容量、小體積、大功率、直流高壓電容器中作為電介質(zhì)的絕緣薄膜。
【專利說明】一種高性能超薄聚丙烯電容器薄膜及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能超薄聚丙烯電容器薄膜及其制造方法，特別適用于大容量、小體積、大功率、電力等強(qiáng)電電容器中作為電介質(zhì)的超薄耐高溫聚丙烯薄膜。
[0002]背景介紹
[0003]聚丙烯薄膜具有穩(wěn)定的物理性能、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的電氣絕緣性能，特別是經(jīng)雙向拉伸生產(chǎn)的聚丙烯薄膜，具有質(zhì)輕、損耗小、耐壓擊穿場強(qiáng)高、電絕緣性和機(jī)械性能優(yōu)良等特點(diǎn)，使其特別適合用做工頻下強(qiáng)電領(lǐng)域的薄膜電容器，如電力電容器、電氣設(shè)備電容器、電力機(jī)車電容器、混合動力汽車電容器等。
[0004]隨著電氣裝置向小型化和元件密集化方向發(fā)展，對電容器的體積、耐溫、耐壓和可靠性等指標(biāo)提出了更高的要求。用于交流電路的電容器，不僅要考慮使用環(huán)境溫度，而且要考慮電容器元件的內(nèi)部發(fā)熱，聚丙烯薄膜電容器的使用溫度需要進(jìn)一步提高，這就對聚丙烯介質(zhì)薄膜的高溫穩(wěn)定性能提出了進(jìn)一步要求。
[0005]同時，隨著各種電氣設(shè)備逐漸逆變器化，更加迫切要求電容器微型化、大容量化，厚度低于3.5μπι的耐高溫高端雙向拉伸聚丙烯薄膜市場出現(xiàn)嚴(yán)重的供不應(yīng)求狀況。從電容的公式C= ε S/4 kd可知，電容器兩個極板之間若使用厚度較薄的薄膜作為介質(zhì)材料，可使極板間距變小，實現(xiàn)電容器容量體積比增加。在產(chǎn)品各項性能保證的前提下，制造容量相同的電容器，使用相對較薄的電容膜，可以使電容器體積減小，滿足微型化的需求。然而，制造薄膜電容器使用的膜越薄，工作場強(qiáng)越高，其內(nèi)部溫升越高。對越薄的膜，制造功率越大的電容器，要提高其耐高溫性越難。因此，提高用于大功率電容器的超薄型聚丙烯薄膜的耐熱性，降低薄膜的厚度，以使聚丙烯薄膜制得的電容器在較高溫度下能穩(wěn)定工作是電容器行業(yè)的重要攻關(guān)課題。
[0006]現(xiàn)有的普通雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜，收縮率相對偏大、耐溫性差，用該膜卷繞而成的電容器隨著工作時間的延長，其內(nèi)部溫升較快，導(dǎo)致電容器的穩(wěn)定性急劇下降，甚至造成電容器失效，給電氣整機(jī)或電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的安全隱患。目前，通過提高原料等規(guī)度以實現(xiàn)薄膜高結(jié)晶化可以有效提高薄膜耐熱性。如日本東麗株式會所申請的CN 1154374號專利，通過將原料的等規(guī)度從95%提高到98%-99.5%將電容器的使用溫度從85°C提高到105°C。類似采用高等規(guī)度聚丙烯粒子為原料以提高耐熱性的還有CN 101460553號專利，102751091A號專利，CN 1631652A號專利。但是，上述專利中取向薄膜均采用分步法進(jìn)行雙向拉伸，雖然耐熱性提高了，其耐壓性由于制備工藝的限制，結(jié)晶狀況以及取向程度尚不能達(dá)到大功率電容器所需的機(jī)械強(qiáng)度各向同性的要求。另外，受限于分步法雙向工藝的線速度和拉伸比，要進(jìn)一步降低薄膜厚度是非常困難的。除了南洋科技公司采用雙向逐步拉伸法生產(chǎn)厚度為3.5 μ m的BOPP薄膜，其余國產(chǎn)BOPP薄膜只能達(dá)到厚度為4?7 μ m及以上的中低端水平。上述專利薄膜的厚度均不能滿足電容器小型化的要求。如CN 1631652A號專利通過拉伸之后先作緊張性熱定型，再作傳統(tǒng)松弛性熱定型，把熱收縮率控制從120°C提高到140°C，寬度方向的熱收縮率降低到0.5%-1.5%，達(dá)到大功率、電力等電容器的使用要求。然而，其采用了分布拉伸技術(shù)，最后薄膜的厚度為4.8 μ m，難以進(jìn)一步滿足某些特殊大功率電容器小型化的要求，如純電動汽車和混合動力汽車需要的3.5μ m以下的薄膜。此外，經(jīng)雙向逐步拉伸生產(chǎn)的薄膜，由于在縱向拉伸結(jié)晶取向后橫向拉伸時難以結(jié)晶取向，因此在兩個方向上存在著各向異性的問題，產(chǎn)品弓形效應(yīng)明顯，機(jī)械強(qiáng)度存在差異。因此，到目前為止市場上還沒有滿足如上所述的薄型化、高耐高溫性、高耐壓性以及加工適應(yīng)性的電容器用聚丙烯薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)制備聚丙烯電容膜難以達(dá)到大功率小型化電容器用電容膜所必須達(dá)到的超薄尺寸級別，提供一種高性能超薄聚丙烯電容器薄膜的制造方法。
[0008]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0009]一種聚丙烯電容膜制備方法，采用高純度電工級聚丙烯原料，依次通過熔融擠出，鑄片，再以40?50倍的拉伸比進(jìn)行雙向同步拉伸，然后依次經(jīng)冷卻定型、切邊和電暈處理，得到厚度為2?4μπι的成品的聚丙烯電容膜。
[0010]所述高純度電工級聚丙烯原料是指，等規(guī)度大于97%，灰分含量小于25ppm，熔融指數(shù)(MFI)為2.2?3.2的聚丙烯原料。
[0011]本發(fā)明方法采用雙向同步拉伸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的逐步拉伸技術(shù)，提高了聚丙烯薄膜片的厚度均一性、各向同性和耐熱性。該方法克服了兩步拉伸法在縱向拉伸后，再橫向拉伸時破壞定向的缺點(diǎn)。極易獲得尺寸極為穩(wěn)定，表面十分平整的薄膜。隨后熱定型區(qū)完成薄膜的晶型的轉(zhuǎn)變(β晶型一α晶型)及加速結(jié)晶過程、消除薄膜的內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)晶度，使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善，比兩步拉伸大大降低了薄膜的熱收縮率。此外，在同步雙向拉伸的方法中，薄膜在拉伸時是不與輥筒接觸的，因此它不受輥面質(zhì)量的影響，可以制得表面非常平整、無劃傷的薄膜。用這種方法，鑄片受到夾具的限位作用，鑄片不會產(chǎn)生頸縮，大大提高了薄膜厚度均勻性。
[0012]本發(fā)明采用較高的拉伸比(40?50倍)進(jìn)行拉伸，在不破膜的情況下有利于超薄(2?4μπι)聚丙烯薄膜制備；同時，保證了聚丙烯薄膜中分子鏈段具有較高的取向度，從而使薄膜的耐熱性和抗電壓擊穿強(qiáng)度有所提高。
[0013]采用本發(fā)明工藝制備的聚丙烯電容膜，具有極低的收縮率。具體來說，將本發(fā)明方法制備的電容膜在140°C?150°C，加熱12-15分鐘，熱收縮率僅為縱向(MD) 1.5%?2.5%，橫向(TD)0.15%?0.5%。與大功率小型化電容器所必須的使用環(huán)境極為適應(yīng)，為解決高端電容膜的對于電容器內(nèi)部的升溫問題，提供了一種有效的解決方法。
[0014]本發(fā)明工藝簡單，制備的超薄(最薄2 μ m)聚丙烯電容膜具有良好的耐熱性和較高的抗電壓擊穿強(qiáng)度；同時，薄膜寬幅提高達(dá)到5米，生產(chǎn)速度可以達(dá)到140?250m/min，生產(chǎn)效率大大提高。
[0015]本發(fā)明制得的超薄型耐高溫聚丙烯薄膜特別適用于混合動力汽車、風(fēng)力太陽能發(fā)電機(jī)，城市輕軌機(jī)車等強(qiáng)電領(lǐng)域所需的大功率電容器，滿足電容器大容量、微型化的需求。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列特點(diǎn)和有益效果:本發(fā)明方法制備聚丙烯電容膜，拉伸過程中結(jié)晶取向好，不易破裂，能夠制備超薄高端聚丙烯電容膜。制備得到的聚丙烯薄膜的厚度均一性、各向同性和耐壓性，縱橫向收縮率降低，弓形效應(yīng)減小，機(jī)械性能良好，能夠滿足電容器大容量、微型化的需求。
【具體實施方式】
[0017]具體的來說，制備聚丙烯電容膜的方法包括以下步驟:
[0018]a.配料，b.熔融擠出，c.鑄片，d.雙向同步拉伸，e.冷卻定型、切邊、電暈處理。
[0019]在本發(fā)明的一個實施方式中，在步驟a.配料中:采用等規(guī)度為97%?99%、灰分含量為小于20ppm、熔融指數(shù)(MFI)為2.2?3.2的高純聚丙烯粒子。
[0020]在本發(fā)明的一個實施方式中，在步驟b.熔融擠出中:在250°C?260°C下，將聚丙烯原料經(jīng)熔融塑化，形成熔融均勻的粘流態(tài)熔體通過過濾器，濾去粘流態(tài)熔體中的雜質(zhì)和未熔物，然后擠入T形模頭，形成薄片，模頭溫度控制在250°C?260°C。
[0021]進(jìn)一步，擠出機(jī)中的過濾器采用褶狀過濾芯，褶狀過濾芯可以增加過濾面積并保持體積相對小，減少過濾過程對于熔體的溫度的影響，增強(qiáng)熔融原料的溫度均一性，確保熔體流動順暢穩(wěn)定。
[0022]進(jìn)一步，過濾器采用油蒸汽加熱。油蒸汽加熱能夠保證加熱均勻性，避免熱點(diǎn)產(chǎn)生，防止因為局部熱點(diǎn)導(dǎo)致的過濾器中聚丙烯降解等不良影響。
[0023]濾器加熱模式和過濾器尺寸的優(yōu)點(diǎn)確保熔體流順暢不被高溫?zé)?，確保了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，連貫性。
[0024]在本發(fā)明的一個實施方式中，步驟c.鑄片是將熔融擠出得到的薄片，通過激冷輥和高壓氣刀冷卻定型，冷卻溫度為95°C?105°C。其中，高壓氣刀氣體壓力為IlOmba?120mba ;激冷輥采用螺旋槽水道冷卻，以保證薄膜的兩面(冷輥面和氣刀面)都被均勻冷卻。減小了兩面結(jié)晶速率和結(jié)晶形態(tài)及球晶生長大小差別，通過晶體轉(zhuǎn)化后達(dá)到薄膜兩面粗化度均勻的效果。定型得到的鑄片厚度為設(shè)計產(chǎn)品厚度的40?50倍。
[0025]冷卻溫度的選擇不能過高或過低；溫度過低，薄膜表面生成的晶粒尺寸過大，薄膜的拉伸性能下降，拉伸過程中容易破裂。當(dāng)冷卻溫度過高時，鑄片的晶體形成速度慢，不能形成適量的晶體，對于薄膜的卷曲性、耐熱性均不能滿足超薄電容膜的特種需求?？刂票∧だ鋮s面溫度不大于115°C，促使薄膜兩面生成晶粒尺寸較小且均勻的聚丙烯β晶體。β晶型相對其它晶型球晶尺寸大幅度減小，具有晶粒細(xì)化的功能，使得聚丙烯薄膜具有良好的韌性，使其在雙向拉伸過程中不易出現(xiàn)斷膜的情況，最后通過熱定型實現(xiàn)晶體轉(zhuǎn)化，達(dá)到薄膜兩面粗化一致、粗化均勻的效果，所以冷卻溫度選用為95°C?105°C。
[0026]在本發(fā)明的一個實施方式中，步驟d.雙向同步拉伸，將鑄片依次進(jìn)行預(yù)熱、雙向同步拉伸。通過預(yù)熱輥進(jìn)行預(yù)熱后，在148°C?167°C下進(jìn)行拉伸，拉伸比為40?50倍，優(yōu)選為縱向4?7倍和橫向6?10倍，更優(yōu)選為縱向5?6倍和橫向7?9倍。在溫度為120?150°C進(jìn)行預(yù)熱，避開了聚丙烯的最大結(jié)晶速率的溫度區(qū)域，防止聚丙烯在預(yù)熱和拉伸過程中結(jié)晶度急劇增加，從而導(dǎo)致拉伸性能下降，影響B(tài)OPP薄膜橫向厚度的均勻性及拉伸的連續(xù)性。預(yù)熱溫度過高，會導(dǎo)致PP形成球晶，薄膜透明性下降；而拉伸溫度過高，PP鏈段易于解取向，大大降低BOPP薄膜的物理、力學(xué)性能。橫向拉伸區(qū)的溫度分布應(yīng)力求均勻、穩(wěn)定，否則會影響產(chǎn)品薄膜的性能。
[0027]薄膜在拉伸后通過145°C?160°C下熱處理以消除薄膜在拉伸過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和鏈接缺陷，完善微晶化結(jié)構(gòu)，減少收縮率，進(jìn)一步提高薄膜的尺寸穩(wěn)定性及表面平整度。
[0028]進(jìn)一步，所述雙向拉伸分為預(yù)熱段，拉伸段和熱定型段；預(yù)熱區(qū)分為三段，沿進(jìn)料方向溫度逐漸升高，依次優(yōu)選為:120°C?127°C，125°C?137°C，135°C?147°C ;拉伸區(qū)分為四段，溫度依次優(yōu)選為148°C?152°C，150°C?157°C，155°C?162°C，160°C?167°C ;熱定型區(qū)分為三段，溫度依次優(yōu)選為160°C?162°C，152°C?160°C，145°C?155°C。
[0029]本發(fā)明方法在熱定型區(qū)完成薄膜的晶型的轉(zhuǎn)變(β晶型一α晶型)及加速結(jié)晶過程、消除薄膜的內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)晶度，使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善，比兩步拉伸大大降低了薄膜的熱收縮率。此外，在同步雙向拉伸的方法中，無需使用轉(zhuǎn)移輥筒，薄膜在拉伸時不與輥筒接觸的，因此不受輥面質(zhì)量的影響，可以制得表面非常平整、無劃傷的薄膜。用這種方法，鑄片受到夾具的限位作用，鑄片不會產(chǎn)生頸縮，大大提高了薄膜厚度均勻性。
[0030]在本發(fā)明的一個實施方式中，步驟e.冷卻、切邊、電暈處理。是將經(jīng)過雙向同步拉伸的聚丙烯電容膜，通過冷卻、邊料切刀和電暈發(fā)生器對薄膜進(jìn)行處理，形成成品膜。
[0031]下面給出的實施例擬以對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不能理解為是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]實施例1
[0033]采用等規(guī)度大于98%，灰分含量小于20ppm，熔融指數(shù)(MFI)為2.6的聚丙烯原料。將原料在260°C下熔融塑化，經(jīng)過濾器處理，擠入T形模頭，模頭溫度250°C，形成薄片。所述過濾器采用褶狀過濾芯，過濾器采用油蒸汽加熱。
[0034]將上述薄片通過激冷輥和高壓氣刀冷卻定型，其中，氣刀氣壓為IlOmba;激冷輥采用螺旋槽流道，氣刀和激冷輥的溫度均為100°c，定型得到的鑄片厚度為設(shè)計產(chǎn)品厚度的48倍。將厚片依次經(jīng)四組預(yù)熱輥，在拉伸比縱向6倍和橫向8倍的條件下進(jìn)行同步拉伸，然后通過冷卻定型輥、邊料切刀、紅外測厚儀和電暈發(fā)生器對薄膜進(jìn)行處理，最后得到厚度為2.Ομπι的成品的聚丙烯電容膜。其中，預(yù)熱區(qū)分為三段，沿進(jìn)料方向溫度逐漸升高依次為125°C，135°C，和147°C ;拉伸分區(qū)為四段，溫度依次為152°C，157°C，162°C，167°C ;熱定型區(qū)分為三段，溫度依次為:162°C，157°C，147°C。
[0035]實施例2
[0036]采用與實施例1相同的實施方案，只是鑄片厚度為設(shè)計產(chǎn)品厚度的45倍，拉伸比為縱向5倍，橫向9倍。預(yù)熱區(qū)沿進(jìn)料方向溫度逐漸升高依次為123°C，133°C和145°C ;拉伸區(qū)溫度依次為150°C，155°C，160°C，165°C;熱定型區(qū)溫度依次為160°C，155°C，145°C。最終得到的聚丙烯電容膜厚度為2.5μπι。
[0037]實施例3
[0038]采用與實施例1相同的實施方案，只是擠出溫度為250°C，鑄片厚度為設(shè)計產(chǎn)品厚度的40倍，拉伸比為縱向5倍，橫向8倍。預(yù)熱區(qū)沿進(jìn)料方向溫度逐漸升高依次為120°C，130°C和 145°C ;拉伸區(qū)溫度依次為 148°C，152°C，158°C，162°C ;熱定型區(qū)為 160°C，155°C，145°C。最終得到的聚丙烯電容膜厚度為4.Ομπι。
[0039]對上述實施例制備得的電容器用高性能超薄聚丙烯薄膜產(chǎn)品的性能指標(biāo)測試，主要的測試方法是GB/T12802，結(jié)果如表I所示。
[0040]表I
【權(quán)利要求】
1.一種聚丙烯電容膜制備方法，采用高純度電工級聚丙烯原料，依次通過熔融擠出，鑄片，40?50倍的拉伸比進(jìn)行雙向同步拉伸，然后依次經(jīng)冷卻定型、切邊和電暈處理，得到厚度為2?4 μ m的成品的聚丙烯電容膜； 所述高純度電工級聚丙烯原料是指，等規(guī)度大于97%,灰分含量小于25ppm,熔融指數(shù)為2.2?3.2的聚丙烯原料。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，制備的電容膜在140°C?150°C，加熱12-15分鐘，熱收縮率為縱向1.5%?2.5%，橫向0.15%?0.5%ο
3.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，具體以下步驟:a.配料，b.熔融擠出，c.鑄片，d.雙向同步拉伸，e.冷卻定型、切邊、電暈處理。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，在步驟a.配料中:采用等規(guī)度為97%?99%、灰分含量為小于20ppm、熔融指數(shù)為2.2?3.2的高純聚丙烯粒子。
5.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，在步驟b.熔融擠出中:在250°C?260°C下，將聚丙烯原料經(jīng)熔融塑化，形成熔融均勻的粘流態(tài)熔體通過過濾器，濾去粘流態(tài)熔體中的雜質(zhì)和未熔物，然后擠入T形模頭，形成薄片，模頭溫度控制在250°C?260°C。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，過濾器采用油蒸汽加熱。
7.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，步驟c鑄片，是將熔融擠出得到的薄片，通過激冷輥和高壓氣刀冷卻定型，冷卻溫度為95°C?105°C;其中，高壓氣刀氣體壓力為IlOmba?120mba ;采用激冷輥螺旋槽流道；定型得到的厚片厚度為產(chǎn)品厚度的40—45倍。
8.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，步驟d雙向同步拉伸，將鑄片依次進(jìn)行預(yù)熱、雙向同步拉伸；通過預(yù)熱輥進(jìn)行預(yù)熱后，在145°C?165°C下進(jìn)行拉伸，拉伸比縱向4?7倍和橫向6?10倍的條件下同步拉伸。
9.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，所述雙向拉伸分為預(yù)熱段，拉伸段和熱定型段；預(yù)熱區(qū)分為三段，沿進(jìn)料方向溫度逐漸升高依次優(yōu)選為:120°C?127°C，125°C?137°C，135°C?147°C ;拉伸區(qū)分為四段，溫度依次優(yōu)選為148°C?152°C，150°C?157°C，155 °C?162°C，160°C?167 °C ;熱定型區(qū)分為三段，溫度依次優(yōu)選為160°C?162 °C，152°C ?160°C，145°C ?155°C。
10.如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，步驟e冷卻、切邊、電暈處理；將經(jīng)過雙向同步拉伸的聚丙烯電容膜，在冷卻段被冷卻下來，冷卻段送風(fēng)通過熱交換器冷卻風(fēng)以保持冷卻溫度；邊料切刀和電暈發(fā)生器對薄膜進(jìn)行處理，得到成品膜。
【文檔編號】B29D7/01GK103434151SQ201310389997
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】曹君, 李曉敏, 黃渝鴻, 陳鳳, 韓青霞, 陽龑, 李濤, 楊帆, 袁彬彬 申請人:華威聚酰亞胺有限責(zé)任公司, 黃渝鴻