Anvendelse av et koblingsmiddel for å forbedre de dielektriske egenskapene til polymerbaserte nanokompositer

Summary

Her demonstrerer vi en enkel og rimelig løsningsstøpingsprosess for å forbedre kompatibiliteten mellom fyllstoffet og₃ matrisen av polymerbaserte nanokompositer ved hjelp av overflatemodifiserte BaTiO 3-fyllstoffer, noe som effektivt kan forbedre energitettheten til komposittene.

Abstract

I dette arbeidet ble en enkel, rimelig og allment anvendelig metode utviklet for å forbedre kompatibiliteten mellom de keramiske fyllstoffene og polymermatrisen ved å legge til 3-aminopropyltrietoksysilan (KH550) som koblingsmiddel under fabrikasjonsprosessen av BaTiO₃-P (VDF-CTFE) nanokompositer gjennom løsningsstøping. Resultatene viser at bruken av KH550 kan endre overflaten av keramiske nanofillers; Derfor ble god fuktbarhet på keramikk-polymer-grensesnittet oppnådd, og de forbedrede energilagringsytelsene ble oppnådd av en passende mengde koblingsmiddel. Denne metoden kan brukes til å forberede fleksible kompositter, noe som er svært ønskelig for produksjon av høyytelses film kondensatorer. Hvis en overdreven mengde koblingsmiddel brukes i prosessen, kan det ikke-vedlagte koblingsmiddelet delta i komplekse reaksjoner, noe som fører til en reduksjon i dielektrisk konstant og en økning i dielektrisk tap.

Introduction

Dielektrierne som brukes i elektriske energilagringsenheter er hovedsakelig preget ved hjelp av to viktige parametere: dielektrisk konstant (ε_r) og nedbrytningsstyrken (E_b)^1,2,3. Generelt viser organiske materialer som polypropylen (PP) en høy E_b (~ 10² MV / m) og en lav ε_r (for det meste <5)^4,5,6 mens uorganiske materialer, spesielt ferroelektriske som BaTiO_3,viser en høy ε_r (10³-10⁴) og en lav E_b (~ 10⁰ MV / m)^6,7,8. I noen applikasjoner er fleksibilitet og evnen til å tåle høye mekaniske støt også viktig for å fremstille dielektriske kondensatorer⁴. Derfor er det viktig å utvikle metoder for å forberede polymerbaserte dielektriske kompositter, spesielt for utvikling av rimelige metoder for å skape høyytelses 0-3 nanokompositer med høy ε_r og E_b^{9,,10,,11,12,13,14,15,16,17,18}. For dette formålet er forberedelsesmetoder basert på ferroelektriske polymermatriser som polarpolymeren PVDF og dens korrelerte copolymerer allment akseptert på grunn av deres høyere ε_r (~ 10)^4,,19,,20. I disse nanokomposites, partikler med høy e_r, spesielt ferroelektrisk keramikk, har blitt mye brukt som^{fyllstoffer 6,20,21,22,23,24,25}.

Ved utvikling av metoder for produksjon av keramiske polymerkompositter, er det en generell bekymring for at dielektriske egenskaper kan påvirkes betydelig av fordelingen av fyllstoff²⁶. Homogeniteten til dielektriske kompositter bestemmes ikke bare av preparatsmetodene, men også av fuktbarheten mellom matrisen og fyllstoffene²⁷. Det har blitt bevist av mange studier at ikke-ensartethet av keramiske polymer kompositter kan elimineres av fysiske prosesser som spin-belegg^28,,29 og hot-pressing^19,26. Imidlertid endrer ingen av disse to prosessene overflateforbindelsen mellom fyllstoffer og matriser; Derfor er komposittene utarbeidet av disse metodene fortsatt begrenset i å forbedre ε_r og E_b^19,27. I tillegg, fra et produksjonssynspunkt, er ubeleilige prosesser uønskede for mange applikasjoner fordi de kan føre til mye mer komplekse fabrikasjonsprosesser^28,,29. I denne forbindelse er det nødvendig med en enkel og effektiv metode.

For tiden er den mest effektive metoden for å forbedre kompatibiliteten av keramiske polymer nanokompositer basert på behandling av keramiske nanopartikler, som endrer overflatekjemien mellom fyllstoffer og matriser^30,,31. Nyere studier har vist at koblingsmidler lett kan belagt på keramiske nanopartikler og effektivt endre fuktbarheten mellom fyllstoffer og matriser uten å påvirke støpeprosessen^{32,,33,,34,,35,,36}. For overflatemodifisering er det allment akseptert at for hvert komposittsystem er det en passende mengde koblingsmiddel, noe som tilsvarer en maksimal økning i energilagringstetthet³⁷; overflødig koblingsmiddel i kompositter kan føre til en nedgang i ytelsen til^{produkter 36,37,38}. For dielektriske kompositter ved hjelp av nano-størrelse keramiske fyllstoffer, spekuleres det i at effektiviteten av koblingsmiddel hovedsakelig avhenger av overflaten av fyllstoff. Den kritiske mengden som skal brukes i hvert nanostørrelsessystem er imidlertid ennå ikke bestemt. Kort sagt, videre forskning er nødvendig for å bruke koblingsmidler for å utvikle enkle prosesser for produksjon av keramiske polymer nanokompositer.

I dette arbeidet ble BaTiO₃ (BT), det mest studerte ferroelektriske materialet med høy dielektrisk konstant, brukt som fyllstoff, og P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymer (VC91) ble brukt som polymermatrise for fremstilling av keramiske polymerkompositter. For å endre overflaten av BT nanofillers, ble den kommersielt tilgjengelige 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) kjøpt og brukt som koblingsmiddel. Den kritiske mengden nanokompositsystem ble bestemt gjennom en rekke eksperimenter. En enkel, rimelig og allment anvendelig metode er demonstrert for å forbedre energitettheten til komposittsystemer i nanostørrelse.

Protocol

1. Overflatemodifisering av BT-fyllstoffer Forbered 20 ml KH550-løsning (1 wt% KH550 i 95 wt% etanol-vannløsningsmiddel) og ultrasonicate i 15 min. Veie BT nanopartikler (det vil si fyllstoffet) og KH550, henholdsvis slik at fyllstoff kan belagt med 1, 2, 3, 4, 5 wt% av koblingsmiddelet. Behandle 1 g BT nanopartikler i 1.057, 2.114, 3.171, 4.228 og 5.285 ml KH550 løsning ved 30 min ultralydbehandling. Fordampe vann-etanol løsemiddel fra blandingen ved 80 °C i 5 timer og deretter ved 120…

Representative Results

De frittstående nanokompositfilmene med forskjellig innhold av fyllstoff ble med hell fabrikkert som beskrevet i protokollen, og ble merket som xBT-VC91, hvor x er volumprosenten av BT i komposittene. Effekten av KH550 (koblingsmiddel) på morfologi og mikrostruktur av disse BT-VC91 filmene ble studert av SEM og vist i figur 1. SEM-bildene av 30BT-VC91 nanokompositer med 1 og 5 wt% koblingsmiddel er vist i figur 1a og figur 1b. Fyl…

Discussion

Som omtalt ovenfor, kan metoden utviklet av dette arbeidet med hell forbedre energilagringsytelsen til keramiske polymer nanokompositer. For å optimalisere effekten av en slik metode, er det viktig å kontrollere mengden koblingsmiddel som brukes i keramisk overflatemodifisering. For keramiske nanopartikler med en diameter på ~ 200 nm, ble det eksperimentelt fastslått at 2 wt% av KH550 kunne føre til en maksimal energitetthet. For andre sammensatte systemer kan denne konklusjonen brukes omtrent når fyllstoffene med …

Materials

3-Aminopropyltriethoxysilane (KH550)	Sigma-Aldrich	440140	Liquid, Assay: 99%
95 wt.% ethanol-water	Sigma-Aldrich	459836	Liquid, Assay: 99.5%
BaTiO3 nanoparticles	US Research Nanomaterials	US3830	In a diameter of about 200 nm
Ferroelectric tester	Radiant	Precision-LC100
Glass substrates	Citoglas	16397	75 x 25 mm
Gold coater	Pelco	SC-6
High voltage supplier	Trek	610D	10 kV
Impedance analyzer	Keysight	4294A
N, N dimethylformamide	Fisher Scientific	GEN002007	Liquid
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% copolymer
Scanning Electron Microscopy (SEM)	JEOL	JSM-7000F
Vacuum oven	Heefei Kejing Materials Technology Co, Ltd	DZF-6020