摘 要

由于近期化石燃料能源的枯竭，对可再生清洁能源储存的需求不断增加，介质电容器在先进的电子和电力系统中发挥了重要作用。但随着社会的快速发展，传统的单一有机介电材料渐渐开始无法满足人们的需求，储能技术的升级迫在眉睫，设计和开发具有两相或者多相有机复合的介电材料成为了一个研究热点，期望通过诸如物理或者化学改性的方式对多相有机聚合物进行复合，以此来达到单相增强或者多相互补的作用，从而实现储能密度的提升和储能技术的改进。因此，在本论文中，以聚偏氟乙烯（PVDF）为研究对象，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为复合相，采用简单共混和交联聚合成互穿网络结构两种改性方法，制备出储能性能优异的复合材料，得到最佳质量比，确定工艺设计的配方。

本次设计内容是年产100吨互穿网络结构PVDF/PMMA的制备及生产。从生产技术、生产管理等方面进行了论述，设计内容主要包含：设计的目的和主要思路，全流程的物料衡算，全流程的能量衡算，工艺流程的初步设计，反应过程的安全生产，工艺中主要设备的选型与计算及校核，车间布置设计和生产控制，三废处理及其综合利用，注重环境保护和工艺细节改进设计等。

关键词：聚偏氟乙烯；聚甲基丙烯酸甲酯；储能密度；生产工艺；设计

Abstract

Due to the recent depletion of fossil fuel energy, the demand for renewable clean energy storage continues to increase, and dielectric capacitors play an important role in advanced electronics and power systems. However, with the rapid development of society, traditional single organic dielectric materials are gradually unable to meet people's needs. The upgrading of energy storage technology is imminent. Designing and developing dielectric materials with two-phase or multi-phase organic composite has become a research hotspot. It is desirable to recombine the heterogeneous organic polymer by means such as physical or chemical modification to achieve single-phase enhancement or multi-phase complementation, thereby achieving an increase in storage density and an improvement in energy storage technology. Therefore, in this paper, polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as the research object, and polymethyl methacrylate (PMMA) is used as the composite phase. Two modification methods of simple blending and cross-linking polymerization into interpenetrating network structure are adopted. The composite material with excellent energy storage performance is prepared, and the best quality ratio is obtained, and the formula of the process design is determined.

The design content is the preparation and production of an annual output of 100 tons of interpenetrating network structure PVDF/PMMA. From the aspects of production technology and production management, the design content mainly includes: the purpose and main ideas of the design, the material balance of the whole process, the energy balance of the whole process, the preliminary design of the process, and the safe production of the reaction process. Selection and calculation and verification of main equipment in the process, workshop layout design and production control, three waste treatment and comprehensive utilization, focusing on environmental protection and process detail improvement design.

Key Words：polyvinylidene fluoride, polymethyl methacrylate, energy storage density, production process, design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究进展 1

1.3研究的目的和内容 2

1.3.1研究目的 2

1.3.2研究内容 2

1.4设计内容与思路 2

1.4.1设计主要内容 2

1.4.2设计主要思路 2

第2章 PVDF/PMMA复合材料不同制备方法 3

2.1实验部分 3

2.1.1实验原料和仪器设备 3

2.1.2 PVDF/PMMA复合材料的制备 3

2.1.3 MMA在PVDF中复合材料的制备 4

2.1.4测试与表征 4

2.2结果与讨论 5

2.2.1PVDF/PMMA复合材料的介电常数和介电损耗 5

2.2.2 PVDF/PMMA复合材料的击穿场强 7

2.2.3 PVDF/PMMA复合材料的储能性能 8

2.2.4 MMA在PVDF中聚合复合材料的击穿场强 9

2.2.5 MMA在PVDF中聚合复合材料的储能性能 10

2.3 实验小结 10

第3章 工艺流程设计 12

3.1工艺流程简述 12

3.2物料衡算 12

3.2.1产量计算 12

3.2.2投料计算 13

3.3能量衡算 14

3.3.1能量衡算依据 14

3.3.2能量衡算过程 14

第4章 主要设备选型和计算 17

4.1设计任务 17

4.2设备选型原则 17

4.3设计依据 17

4.4聚合釜釜体和夹套的设计与计算 17

4.4.1确定筒体和封头的几何尺寸 17

4.4.2确定高径比 18

4.4.3确定夹套 19

4.4.4聚合釜壁厚的选择 19

4.4.5封头壁厚的选择 20

4.4.6夹套的选取和几何计算 20

4.4.7水压试验及聚合釜的强度校核 21

4.5聚合釜体和配套封头法兰的选择 22

4.6搅拌传动装置的选择 22

4.6.1搅拌器，搅拌轴及其联轴器的选择 22

4.6.2 选择搅拌传动装置和密封装置 23

4.7 聚合釜支座的选择 23

第5章 厂区布置和车间概况 25

5.1 厂区布置规划 25

5.2 车间布置设计方案 25

第6章 生产控制及环境保护 26

6.1 各个岗位的生产控制 26

6.2 三废处理 26

第7章 结论 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景

当今世界各国都在全力发展可再生资源，尽管可再生能源发展潜力很大，但是由于其不稳定性和技术存储等因素的制约，目前大规模发展还比较困难。所以研究者们的方向转为能源结构的优化升级和储存技术的提升。而电容器则作为一种非常重要的储能材料，被广泛应用于电子、工业、航空、军工等领域。高储能密度电容器已经成为了行业界内的研究热点和重点。电介质材料是电容器的一个重要组成部分，它储能能力在很大程度上决定了电容器的储能能力。因此研制和开发心得电介质材料以此组成高储能密度介电电容器对于研究工作者来说既是一种挑战又是一种机遇，对能源化工的发展也具有重大的意义。

1.2国内外研究进展

聚偏氟乙烯，是半结晶性含氟聚合物，具有良好的物理与化学稳定性，且相对于大多数聚合物材料，拥有较高的介电常数以及极低的介电损耗，因此其被广泛用于柔性介电材料的研究工作中。

Bingcheng Luo 等人^[3]采用共混法和热模压法制备了 P(VDF-HFP) / PMMA 复合薄膜。结果表明 P(VDF-HFP)与 PMMA之间存在良好的相互作用和相容性。与纯膜相比，共混膜的介电常数和损耗均有所降低。共混膜的铁电滞回线比原来的 p (VDF-HFP)薄得多。在475mV / m 电场作用下，P(VDF-HFP) / PMMA 共混膜的放电能量密度为11.2 j / cm³，放电效率为85.8% 。共混膜的放电能量密度是原膜的2.6倍，储能效率是原膜的2.07倍。Feihua Liu等人^[6]制备了一种由聚1,1-二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯铁电三元共聚物和线性介质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成的共混聚合物。它是在两种纯聚合物混合后采用简便的溶液浇铸法制备的。与纯三元共聚物相比，共混物的介电击穿强度明显提高，杨氏模量增加，介电损耗降低，充放电效率提高。这些结果表明，在铁电聚合物基体中加入线性介质 PMMA可以显著提高材料的力学性能，减小介质损耗，从而提高电容器的击穿强度和充放电效率，提高介质薄膜电容器的可靠性和使用寿命。

随着科研者们的不断深入研究，到目前为止，基于聚合物电介质材料用作电容器储能应用已经取得了一定的进展，电介质材料的相对介电常数和击穿场强都有了很大的提升。但是，在两相和多相等材料复合时，界面相溶性一直是不可避免的问题，如何进一步改善共混相界面和科学的预测复合材料中功能体对聚合物基体的作用原理仍需要做大量的研究。在高储能电介质材料领域中，要想得到综合性能比较优良的电介质材料，确定最优工艺条件，以及进一步扩大生产，还需要研究者们不断地实验和探索。

1.3研究的目的和内容

1.3.1研究目的

从国内外地研究现状来看，对聚偏氟乙烯基的复合材料研究的比较多，对聚偏氟乙烯基复合材料的介电常数以及介电损耗特性的研究比较深入，但对界面问题以及进一步提高储能密度的解决方法还不是很确定。因此，本论文中，通过采取简单共混和交联聚合成互穿网络体系两种改性方法来对基体PVDF进行修饰改性，以此来进一步提高PVDF的击穿特性和降低其介电损耗，从而获得更高的储能性能。

1.3.2研究内容

综合前人的研究进展和行业的研究热点，实验部分以PVDF为基体，分别通过溶液简单共混和交联聚合形成互穿网络结构的方法对基体进行改性，制备出一系列复合材料。通过性能对比，研究其介电储能性能，具体研究内容如下所示：

（1）采用简单溶液共混的方式，按照一定质量比将PVDF和PMMA复合，通过其介电性能的研究和分析 ，得到最佳性能下的最佳质量比。

（2）在（1）的基础上，将PVDF溶于DMF溶剂中，以此为MMA聚合的溶剂，制备出具有交联结构的互穿网络体系的复合材料，通过增大两相的相容性以此来进一步提升复合材料的击穿场强和相应的储能性能。

1.4设计内容与思路

1.4.1设计主要内容

（1）确定互穿网络结构PVDF/PMMA复合材料制备的工艺配方；

（2）互穿网络结构PVDF/PMMA复合材料制备的工艺流程设计；

（3）互穿网络结构PVDF/PMMA复合材料制备的主要设备设计；

（4）互穿网络结构PVDF/PMMA复合材料制备的车间平立面布置设计。

1.4.2设计主要思路

本设计在前期查阅相关书籍、文献、资料等后，首先通过一系列实验确定最佳比例，然后再开始着手设计。本设计主要是互穿网络结构PVDF/PMMA复合材料的工艺流程，然后对其进行每年生产100吨互穿网络结构PVDF/PMMA复合材料的工艺设计。从生产技术、生产管理等方面进行了论述，设计内容主要包含：全流程的物料衡算、能量衡算，工艺流程的初步设计，工艺中主要设备的选型与计算及校核，车间布置设计和生产控制，三废处理及其综合利用，注重环境保护和工艺细节改进设计等。

第2章 PVDF/PMMA复合材料不同制备方法

2.1实验部分

2.1.1实验原料和仪器设备

本章实验所用的主要试剂、原料如表2.1所示。

表2.1 实验所用原料

本章实验所需要使用的主要仪器设备如表2.2所示。

表2.2 实验所用仪器设备

2.1.2 PVDF/PMMA复合材料的制备

称取PVDF粉末和PMMA粉末，按照质量比10/0、9/1、8/2、7/3、6/4、5/5置于洁净的烧杯中，然后按照0.05g/mL-1的浓度加入相应的DMF作为溶剂，并用封口膜进行密封，之后在30℃下磁力搅拌24h，直至PVDF/PMMA完全溶解，得到澄清透明的溶液。再采用溶液流延的方法，将混合溶液浇铸到洁净的玻璃板上成膜，之后先到鼓风干燥箱中60℃下干燥12h，然后再将膜从玻璃基板上取下来，放入真空干燥箱中，80℃下干燥12h，以便更好的除去残余的DMF溶剂，得到一系列不同质量比的PVDF/PMMA复合薄膜。最后将真空干燥好的膜放入热压机中，180℃下热压2h，用于后续测试分析。

2.1.3 MMA在PVDF中复合材料的制备

在2.1.2实验的最佳比例附近，称量不同质量比的PVDF和MMA进行反应。将PVDF溶解在DMF溶剂中，之后加入MMA和引发剂BPO，使MMA在该溶剂中聚合并且交联形成PMMA，这样PMMA就穿插在PVDF的网络中，制备PVDF/PMMA互穿网络体系复合材料，之后再根据简单共混成膜过程进行复合薄膜的制备，测试分析后与共混体系进行综合性能对比。

2.1.4测试与表征

（1）样品介电常数与介电损耗测试表征：将聚合物薄膜剪成2.5mm×2.5mm大小置于圆孔模具中，用真空小型离子溅射仪在聚合物表明镀上一层金做为电极制成样品。采用安捷伦4284A阻抗分析仪对材料的电容值和损耗值进行测试，测试电压为1V，频率范围为100Hz到10⁶Hz。

（2）样品击穿场强的测试与表征：将（1）中喷金的样品置于测试夹具中，然后用硅油浸泡，采用TPEK P0621P 型击穿设备进行样品击穿测试，测试的升压速率为500V/s。

（3）样品储能性能测试表征：将（1）中喷金后的样品置于测试夹具中，然后用硅油浸泡，采用美国Radiant公司型号为Sawyer-Tower Circuit的铁电工作站进行样品的电滞回线P-E曲线测试，测试电压波形为三角波，频率为10Hz。

2.2结果与讨论

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