双轴拉伸改性氧化锆/聚丙烯复合介电薄膜的制备与性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.006

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (12): 33-38.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.12.006

双轴拉伸改性氧化锆/聚丙烯复合介电薄膜的制备与性能研究

国江¹, 许梦伊¹, 黄想¹, 郝好², 游峰², 李晨健²(), 江学良²

^1.中国电力科学研究院有限公司武汉分院（电网环境保护全国重点实验室），武汉 430074
^2.武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北省等离子化学与新材料重点实验室，武汉 430205

收稿日期:2025-05-28 出版日期:2025-12-26 发布日期:2025-12-22
通讯作者: 李晨健（1992—），男，博士，从事聚合物基复合材料研究，leeschool@sina.com
E-mail:leeschool@sina.com
作者简介:第一联系人：地址：北京市海淀区阜成路11号《中国塑料》杂志社
邮编：100048
基金资助:
2023年湖北省科技计划立项项目(2023BAB001)

Preparation and performance of biaxially oriented modified zirconia/polypropylene composite dielectric films

GUO Jiang¹, XU Mengyi¹, HUANG Xiang¹, HAO Hao², YOU Feng², LI Chenjian²(), JIANG Xueliang²

^1.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection，Wuhan Branch of China Electric Power Research Institute Co，Ltd，Wuhan 430074，China
^2.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Engineering University，Hubei Provincial Key Laboratory of Plasma Chemistry and New Materials，Wuhan 430205，China

Received:2025-05-28 Online:2025-12-26 Published:2025-12-22
Contact: LI Chenjian E-mail:leeschool@sina.com

摘要/Abstract

摘要：

在纳米氧化锆（纳米ZrO₂）表面接枝氨基（NH₂），并与马来酸酐接枝聚丙烯（PP⁃g⁃MAH）和聚丙烯（PP）进行共混挤出，得到复合粒料。随后，通过流延及双轴拉伸工艺制备得到改性氧化锆/聚丙烯复合介电薄膜（NH₂⁃ZrO₂/PP⁃g⁃MAH/PP）。在NH₂⁃ZrO₂/PP⁃g⁃MAH/PP介电薄膜中，通过NH₂⁃ZrO₂与PP⁃g⁃MAH进行反应，将PP接枝在NH₂⁃ZrO₂表面，以提高ZrO₂在PP基体中的分散性和相容性。同时，探究NH₂⁃ZrO₂/PP⁃g⁃MAH/PP复合薄膜的介电性能，热学性能和力学性能。结果表明，相关改性方法赋予了NH₂⁃ZrO₂/PP⁃g⁃MAH/PP的高的介电常数和击穿电压，同时显著地降低的介电损耗；在1kH测试频率下时，当NH₂⁃ZrO₂含量为2.5 %时，NH₂⁃ZrO₂/PP⁃g⁃MAH/PP复合薄膜的介电常数相较于PP（2.25）提升至4.46，击穿场强可达到492 MV/m；同时，介电损耗降低至0.002 5。

关键词: 氧化锆, 聚丙烯, 相容剂, 介电常数, 击穿场强

Abstract:

Nano⁃zirconia （nano⁃ZrO₂） was surface⁃grafted with amino groups （NH₂） and then melt⁃blended with polypropylene⁃g⁃maleic anhydride （PP⁃g⁃MAH） and polypropylene （PP） to form composite pellets. These pellets were processed into dielectric films via casting followed by biaxial orientation. The grafting reaction between the NH₂ groups on ZrO₂ and the anhydride groups of PP⁃g⁃MAH improved the dispersion and compatibility of the nanoparticles within the PP matrix. The resulting NH₂⁃ZrO₂/PP⁃g⁃MAH/PP composite films exhibited enhanced dielectric， thermal， and mechanical properties. Specifically， at a test frequency of 1 kHz and with 2.5 wt% NH₂⁃ZrO₂ content， the composite film achieved a dielectric constant of 4.46， significantly higher than that of pure PP （2.25）， along with high breakdown strength of 492 MV/m and a low dielectric loss of only 0.002 5. These results demonstrated that the applied modification strategy effectively yielded a composite film with a high dielectric constant and breakdown voltage while significantly suppressing dielectric loss.

Key words: zirconia, polypropylene, compatibilizer, dielectric constant, breakdown field strength

中图分类号:

TQ325.

国江, 许梦伊, 黄想, 郝好, 游峰, 李晨健, 江学良. 双轴拉伸改性氧化锆/聚丙烯复合介电薄膜的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(12): 33-38.

GUO Jiang, XU Mengyi, HUANG Xiang, HAO Hao, YOU Feng, LI Chenjian, JIANG Xueliang. Preparation and performance of biaxially oriented modified zirconia/polypropylene composite dielectric films[J]. China Plastics, 2025, 39(12): 33-38.

图/表 8

图1 NH2⁃ZrO2的制备过程

Fig.1 Preparation process of NH2⁃ZrO2

图2 ZrO2和NH2⁃ZrO2的FTIR谱图

Fig.2 FTIR spectra of ZrO2 and NH2⁃ZrO2

图3 PP⁃g⁃MAH接枝纳米ZrO2的反应过程

Fig.3 Reaction process of PP⁃g⁃MAH grafting nano⁃ZrO2

图4 PP及复合薄膜的断面SEM照片

Fig.4 Cross⁃section SEM images of the PP and composite film

图5 热重曲线

Fig.5 Thermogravimetric curve

图6 PP、3 %NH2⁃ZrO2/PP和3 %NH2⁃ZrO2/PP⁃g⁃MAH/PP复合薄膜的介电常数和介电损耗随频率变化曲线

Fig.6 Dielectric constant and loss curves with variation frequencies of PP， 3 %NH2⁃ZrO2/PP and 3 %NH2⁃ZrO2/PP⁃g⁃MAH/PP composite film

图7 0.75 %~3.00 %NH2⁃ZrO2/PP⁃g⁃MAH/PP复合薄膜的介电常数和介电损耗随频率变化曲线

Fig.7 Dielectric constant and loss curves with variation frequencies of 0.75 %~3.00 %NH2⁃ZrO2/PP⁃g⁃MAH/PP composite film

图8 PP薄膜和0.75 %~3 %NH2⁃ZrO2/PP⁃g⁃MAH/PP复合薄膜的击穿场强

Fig.8 Breakdown field strength of PP and 0.75 %~3 %NH2⁃ZrO2/PP⁃g⁃MAH/PP composite film

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双轴拉伸改性氧化锆/聚丙烯复合介电薄膜的制备与性能研究

Preparation and performance of biaxially oriented modified zirconia/polypropylene composite dielectric films

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