ポリマー系ナノ複合材料の誘電特性向上のためのカップリング剤の応用
Summary
ここでは、表面修飾BaTiO3 フィラーを用いて、充填剤とポリマーベースのナノコンポジットのマトリックスとの間の相溶性を改善するための、シンプルで低コストのソリューション鋳造プロセスを実証し、複合材料のエネルギー密度を効果的に高めることができる。
Abstract
本研究では、溶液鋳造によるBaTiO 3-P(VDF-CTFE)ナノコンポジットの製造プロセス中に3-アミノプロピルトリエトキシシラン(KH550)をカップリング剤として添加することにより、セラミックフィラーとポリマーマトリックスとの相3溶性を向上させるため、容易で低コストで広く適用可能な方法が開発されました。結果は、KH550の使用がセラミックナノフィラーの表面を変更できることを示しています。従って、セラミックポリマー界面で良好な湿潤性が達成され、また、適切な量のカップリング剤により高められたエネルギー貯蔵性能が得られた。この方法は、高性能フィルムコンデンサの製造に非常に望ましい柔軟な複合材料を調製するために使用することができます。プロセスに過剰なカップリング剤が使用される場合、非結合結合剤は複雑な反応に関与し、誘電率の低下および誘電損失の増加を招く可能性があります。
Introduction
電気エネルギー貯蔵装置に適用される誘電体は、主に誘電率(εr)と破壊強度(Eb)1、2、3bの2つの重要なパラメータを使用して特徴付1,2,けられます。一般に、ポリプロピ8レン(PP)などの有機材料は、高いEb(〜102 MV/m)および低εr(主に<5)4、5、6を,6示す一方で、無機材料、特に2,5BaTiO3などの強誘電体7は、高34εr(103-104)及び低3Eb(〜1000MV/m)66を示す。r 40 ,一部のアプリケーションでは、柔軟性と高い機械的衝撃に耐える能力も誘電体コンデンサ4を製造するために重要です。,したがって、ポリマー系誘電体複合材料を調製する方法を開発することは重要であり、特に高いεとEr b9、10、11、12、13、14、15、16、17、18,10,11,の高性能0-3ナノコンポジットを作成するための低コスト方法の開発が重要である。12,1314,15,16,17,18この目的のために、極性ポリマーPVDFおよびその相関共重合体のような強誘電体系ポリマーマトリックスに基づく調製方法は、その高いεr(〜10)4、19、20のために広く受け入れられている。4,19,20rこれらのナノコンポジットでは、高いer、特に強誘電性セラミックスを有する粒子は、充填材6、20、21、22、23、24、2520,21,22,23,24,25として広く使用されている。6
セラミックポリマー複合材料の製造方法を開発する場合、誘電特性がフィラー26の分布によって大きく影響され得るという一般的な懸念がある。誘電体複合材料の均質性は、調製方法によって決定されるだけでなく、マトリックスと充填材27との間の濡れ性によっても決定される。セラミックポリマー複合材料の不均一性は、スピンコーティング28、29、およびホットプレス2919、26,26などの物理的プロセスによって排除できることが多くの研究によって証明されている。,ただし、これら 2 つのプロセスのどちらも、フィラーとマトリックスの間の表面接続を変更します。したがって、これらの方法によって調製された複合材料は、εrおよびEb19,27,27の改善において依然として制限されている。さらに、製造の観点から、不便なプロセスは、より複雑な製造プロセス28、29につながる可能性があるため、29多くのアプリケーションにとって望ましくない。この点で、簡単で効果的な方法が必要です。
現在、セラミックポリマーナノ複合材料の適合性を改善する最も有効な方法は、セラミックナノ粒子の処理に基づいており、フィラーとマトリックス30,31,31の間の表面化学を修正する。最近の研究では、カップリング剤はセラミックナノ粒子上で容易にコーティング,でき、鋳造プロセス32、33、34、35、36に影響を与えることなく、充填剤とマトリックス間の濡れ性を効果的に変更できることが示されている。32,33,34,3536表面改質については、複合系ごとに、エネルギー貯蔵密度37の最大増加に対応する適切な量のカップリング剤があることが広く受け入れられている。複合材料中の過剰なカップリング剤は、製品36、37、38,37,38の性能低下をもたらす可能性があります。ナノサイズのセラミックフィラーを用いた誘電体複合材料の場合、カップリング剤の有効性は主に充填材の表面積に依存すると推測される。しかし、各ナノサイズのシステムに使用される臨界量は未定である。要するに、セラミック-ポリマーナノ複合材料を製造するための簡単なプロセスを開発するためにカップリング剤を使用するさらなる研究が必要です。
本研究では、高誘電率3で最も広く研究されている強誘電体であるBaTiO3(BT)を充填材として使用し、P(VDF-CTFE)91/9モル%共重合体(VC91)をセラミックポリマー複合材料の製造用ポリマーマトリックスとして使用した。BTナノフィラーの表面を改変するために、市販の3-アミノプロピルトリエトキシシラン(KH550)を購入し、カップリング剤として使用した。ナノコンポジット系の重要量は、一連の実験を通じて決定された。ナノサイズの複合系のエネルギー密度を向上させるため、簡単で低コストで幅広く適用可能な方法が実証されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
以上で述べたように、この研究によって開発された方法は、セラミックポリマーナノ複合材料のエネルギー貯蔵性能を向上させることに成功する可能性がある。このような方法の効果を最適化するには、セラミック表面修飾に使用されるカップリング剤の量を制御することが重要です。直径が200nmのセラミックナノ粒子については、KH550の2重量%が最大エネルギー密度につながる可能性がある?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、山西省(20192006年)の博士立ち上げ財団である太原科学技術科学研究初期資金(20182028)、山西省自然科学財団(201703D111003)、山西省科学技術主要プロジェクト(MC2016-01)、およびプロジェクトU6106の国立科学財団によって支援されました。
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 |
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