Tillämpning av ett kopplingsombud för att förbättra de dielektriska egenskaperna hos Polymerbaserade Nanokompositer
Summary
Här demonstrerar vi en enkel och billig lösningsgjutningsprocess för att förbättra kompatibiliteten mellan fyllnadsstället och3 matrisen av polymerbaserade nanokompositer med hjälp av ytmodifierade BaTiO 3-fyllmedel, vilket effektivt kan förstärka kompositernas energitäthet.
Abstract
I detta arbete utvecklades en lätt, låg kostnad, och allmänt tillämplig metod för att förbättra kompatibiliteten mellan de keramiska fyllmedel och polymer matris genom att lägga till 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) som kopplingsmedel under tillverkningsprocessen av BaTiO3-P(VDF-CTFE) nanokompositer genom lösning gjutning. Resultaten visar att användningen av KH550 kan modifiera ytan av keramiska nanofillers; därför uppnåddes god vätbarhet på gränssnittet mellan keramisk och polymer, och de förbättrade energilagringsprestationerna erhölls genom en lämplig mängd av kopplingsmedlet. Denna metod kan användas för att förbereda flexibla kompositer, vilket är mycket önskvärt för produktion av högpresterande filmkondensatorer. Om en överdriven mängd kopplingsmedel används i processen kan det icke-bifogade kopplingsmedlet delta i komplexa reaktioner, vilket leder till en minskning av dielektrisk konstant och en ökning av dielektrisk förlust.
Introduction
De dielektriska som tillämpas i elektriska energilagringsenheter kännetecknas främst med hjälp av två viktiga parametrar: den dielektriska konstanten (εr) och nedbrytningsstyrkan (Eb)1,2,3. I allmänhet uppvisar organiska material som polypropen (PP) ett högt Eb (~102 MV/m) och en låg εr (mestadels <5)4,5,6 medan oorganiska material, särskilt ferroelektriker som BaTiO3, uppvisar en hög εr (103-104) och en låg E b (~100 MV/m)6,7,8. I vissa tillämpningar är flexibilitet och förmåga att motstå höga mekaniska slag också viktiga för att fabricera dielektriska kondensatorer4. Därför är det viktigt att utveckla metoder för att förbereda polymerbaserade dielektriska kompositer, särskilt för utveckling av lågkostnadsmetoder för att skapa högpresterande 0-3 nanokompositer med höga εr och Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. För detta ändamål är beredningsmetoder baserade på ferroelektriska polymermatriser som den polära polymeren PVDF och dess korrelerade kopolymerer allmänt accepterade på grund av deras högre εr (~10)4,19,20. I dessa nanokompositer har partiklar med hög er, särskilt ferroelektrisk keramik, använts i stor utsträckning som fyllmedel6,20,21,22,23,24,25.
När man utvecklar metoder för tillverkning av keramisk-polymer kompositer, det finns en allmän oro för att dielektriska egenskaper kan påverkas avsevärt av fördelningen av fyllmedel26. Homogeniteten hos dielektriska kompositer bestäms inte bara av beredningsmetoderna, utan också av vätbarheten mellan matrisen och fyllnadsfyllnadsmaskinerna27. Det har bevisats av många studier att icke-enhetlighet av keramisk-polymer kompositer kan elimineras genom fysikaliska processer såsom spinn-beläggning28,29 och hot-pressing19,26. Ingen av dessa två processer ändrar dock ytanslutningen mellan fyllmedel och matriser; därför är de kompositer som utarbetats av dessa metoder fortfarande begränsade när det gäller att förbättra εr och Eb19,27. Dessutom, ur tillverkningssynpunkt, obekväma processer är oönskade för många tillämpningar eftersom de kan leda till mycket mer komplexa tillverkningsprocesser28,29. I detta avseende behövs en enkel och effektiv metod.
För närvarande är den mest effektiva metoden för att förbättra kompatibiliteten av keramisk-polymer nanokompositer bygger på behandling av keramiska nanopartiklar, som ändrar ytkemi mellan fyllmedel och matriser30,31. Nyligen genomförda studier har visat att kopplingsmedel lätt kan beläggas på keramiska nanopartiklar och effektivt modifiera vätbarheten mellan fyllmedel och matriser utan att påverkagjutprocessen 32,33,34,35,36. För ytmodifiering är det allmänt accepterat att för varje sammansatt system, det finns en lämplig mängd kopplingsmedel, vilket motsvarar en maximal ökning av energilagringstätheten37; överskottskopplingsmedel i kompositer kan resultera i en nedgång i prestandan för produkter36,37,38. För dielektriska kompositer med hjälp av nano-sized keramiska fyllmedel, det spekuleras att effektiviteten av kopplingsmedel beror huvudsakligen på ytan av fyllmedel. Den kritiska mängd som ska användas i varje nanostort system är dock ännu inte bestämt. Kort sagt, ytterligare forskning krävs för att använda kopplingsmedel för att utveckla enkla processer för tillverkning av keramisk-polymer nanokompositer.
I detta arbete, BaTiO3 (BT), den mest studerade ferroelektriska material med hög dielektrisk konstant, användes som fyllmedel, och P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymer (VC91) användes som polymermatris för beredning av keramisk-polymer kompositer. För att modifiera ytan på BT nanofillers, köptes den kommersiellt tillgängliga 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) och användes som kopplingsmedel. Den kritiska mängden av nanokompositsystemet bestämdes genom en serie experiment. En enkel, låg kostnad, och allmänt tillämplig metod demonstreras för att förbättra energitätheten i nano-storlek sammansatta system.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som diskuterats ovan, den metod som utvecklats av detta arbete framgångsrikt skulle kunna förbättra energi-lagring prestanda av keramisk-polymer nanokompositer. För att optimera effekten av en sådan metod är det avgörande att kontrollera mängden kopplingsmedel som används vid modifiering av keramisk-yta. För keramiska nanopartiklar med en diameter på ~200 nm bestämdes det experimentellt att 2 wt% av KH550 kunde leda till en maximal energitäthet. För andra sammansatta system får denna slutsats användas ung…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Taiyuan University of Science and Technology Scientific Research Initial Funding (20182028), doktorandstartstiftelsen i Shanxi-provinsen (20192006), Natural Science Foundation of Shanxi-provinsen (201703D111003), Vetenskap och teknik större projekt i Shanxi-provinsen (MC2016-01), och Project U610256 stöds av National Natural Science Foundation of China.
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 |
References
- Lines, M. E., Glass, A. M. . Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , (2001).
- Nalwa, H. S. . Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , (1999).
- Kao, K. C. . Dielectric phenomena in solids. , (2004).
- Tong, Y., Li, L., Liu, J., Zhang, K., Jiang, Y. Influence of coupling agent on the microstructure and dielectric properties of free-standing ceramic-polymer composites. Materials Research Express. 6 (9), 095322 (2019).
- Zhang, M., et al. Controlled functionalization of poly(4-methyl-1-pentene) films for high energy storage applications. Journal of Materials Chemistry A. 4 (13), 4797-4807 (2016).
- Zhang, L., Cheng, Z. Y. Development of polymer-based 0-3 composites with high dielectric constant. Journal of Advanced Dielectrics. 1 (04), 389-406 (2011).
- Barsoum, M., Barsoum, M. W. . Fundamentals of ceramics. , (2002).
- Jaffe, B. . Piezoelectric ceramics. , (2012).
- Zhang, L., et al. All-organic dielectric nanocomposites using conducting polypyrrole nanoclips as filler. Composites Science Technology. 167, 285-293 (2018).
- Liao, X., et al. Flexible hdC-G reinforced polyimide composites with high dielectric permittivity. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 101, 50-58 (2017).
- Xu, W., et al. Highly foldable PANi@ CNTs/PU dielectric composites toward thin-film capacitor application. Materials Letters. 192, 25-28 (2017).
- Zhang, L., et al. Nano-clip based composites with a low percolation threshold and high dielectric constant. Nano Energy. 26, 550-557 (2016).
- Zhou, S., Zhou, G., Jiang, S., Fan, P., Hou, H. Flexible and refractory tantalum carbide-carbon electrospun nanofibers with high modulus and electric conductivity. Materials Letters. 200, 97-100 (2017).
- Zhang, L., Du, W., Nautiyal, A., Liu, Z., Zhang, X. Recent progress on nanostructured conducting polymers and composites: synthesis, application and future aspects. Science China Materials. 61 (3), 303-352 (2018).
- Xie, Y., Yu, Y., Feng, Y., Jiang, W., Zhang, Z. Fabrication of Stretchable Nanocomposites with High Energy Density and Low Loss from Cross-Linked PVDF Filled with Poly(dopamine) Encapsulated BaTiO3. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (3), 2995-3005 (2017).
- Zhang, L., Wu, P., Li, Y., Cheng, Z. Y., Brewer, J. C. Preparation process and dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites. Composite Part B: Engineering. 56, 284-289 (2014).
- Dang, Z. M., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
- Wu, P., et al. Effect of coupling agents on the dielectric properties and energy storage of Ba0.5Sr0.5TiO3/P(VDF-CTFE) nanocomposites. AIP Advances. 7 (7), 075210 (2017).
- Zhang, L., et al. Process and microstructure to achieve ultra-high dielectric constant in ceramic-polymer composites. Scientific Reports. 6, 35763 (2016).
- Lu, X., Tong, Y., Cheng, Z. Y. Fabrication and characterization of free-standing, flexible and translucent BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanocomposite films. Journal of Alloys and Compounds. 770, 327-334 (2019).
- Goyal, R. K., Katkade, S. S., Mule, D. M. Dielectric, mechanical and thermal properties of polymer/BaTiO3 composites for embedded capacitor. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 128-132 (2013).
- Pan, Z., et al. Fast discharge and highenergy density of nanocomposite capacitors using Ba0.6Sr0.4TiO3nanofibers. Ceramics International. 42 (13), 14667-14674 (2016).
- Hu, G., et al. Preparation and dielectric properties of poly(vinylidene fluoride)/Ba0.6Sr0.4TiO3 composites. Journal of Alloys and Compounds. 619, 686-692 (2015).
- Chen, Y., Chan, H. L. W., Choy, C. L. Nanocrystalline lead titanate and lead titanate/vinylidene fluoride-trifluoroethylene 0-3 nanocomposites. Journal of the American Ceramic Society. 81 (5), 1231-1236 (1998).
- Singh, P., Borkar, H., Singh, B. P., Singh, V. N., Kumar, A. Ferroelectric polymer-ceramic composite thick films for energy storage applications. AIP advances. 4 (8), 087117 (2014).
- Dang, Z., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
- Arbatti, M., Shan, X. B., Cheng, Z. Y. Ceramic-Polymer Composites with High Dielectric Constant. Advanced Materials. 19 (10), 1369-1372 (2007).
- Fan, B., Liu, Y., He, D., Bai, J. Achieving polydimethylsiloxane/carbon nanotube (PDMS/CNT) composites with extremely low dielectric loss and adjustable dielectric constant by sandwich structure. Applied Physics Letters. 112 (5), 052902 (2018).
- Liao, S., et al. A surface-modified TiO2 nanorod array/P(VDF-HFP) dielectric capacitor with ultra-high energy density and efficiency. Journal of Materials Chemistry C. 5 (48), 12777-12784 (2017).
- Mittal, K. L. . Silanes and Other Coupling Agents. 3, (2004).
- Zhang, X., et al. Superior Energy Storage Performances of Polymer Nanocomposites via Modification of Filler/Polymer Interfaces. Advanced Materials Interfaces. 5 (11), 1800096 (2018).
- Yeh, J. M., et al. Thermal and optical properties of PMMA-titania hybrid materials prepared by sol-gel approach with HEMA as coupling agent. Journal of Applied Polymer Science. 94 (1), 400-405 (2004).
- Yang, C., Song, H. S., Liu, D. B. Effect of coupling agents on the dielectric properties of CaCu3Ti4O12/PVDF composites. Composites Part B: Engineering. 50, 180-186 (2013).
- Iijima, M., Sato, N., Lenggoro, I. W., Kamiya, H. Surface Modification of BaTiO3 Particles by Silane Coupling Agents in Different Solvents and Their Effect on Dielectric Properties of BaTiO3/Epoxy Composites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 352 (1-3), 88-93 (2009).
- Zhang, Q., et al. Enhanced Dielectric Tunability of Ba0.6Sr0.4TiO3/Poly(vinylidene fluoride) Composites via Interface Modification by Silane Coupling. Agent. Composites Science and Technology. 129, 93-100 (2016).
- Dang, Z. M., Wang, H. Y., Xu, H. P. Influence of Silane Coupling Agent on Morphology and Dielectric Property in BaTiO3/Polyvinylidene fluoride Composites. Applied Physics Letters. 89 (11), 112902 (2006).
- Tong, Y., Zhang, L., Bass, P., Rolin, T. D., Cheng, Z. Y. Influence of silane coupling agent on microstructure and properties of CCTO-P(VDF-CTFE) composites. Journal of Advanced Dielectrics. 8 (02), 1850008 (2018).
- Shan, X. . High dielectric constant 0-3 ceramic-polymer composites. , (2009).
