JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

Polimer Bazlı Nanokompozitlerin Dielektrik Özelliklerini Geliştirmek İçin Kaplin Maddesi Uygulaması

Published: September 19, 2020
doi:
10.3791/60916
, , , , ,
1Taiyuan University of Science and Technology, 2Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education, 3Laboratory of Magnetic and Electric Functional Materials and Applications,The Key Laboratory of Shanxi Province, 4Beijing Institute of Aerospace System Engineering, 5Department of Electrical and Information Engineering,Sichuan College of Architectural Technology

Summary

Burada, kompozitlerin enerji yoğunluğunu etkili bir şekilde artırabilen yüzey modifiye edilmiş BaTiO3 dolgu maddeleri kullanarak dolgu ve polimer bazlı nanokompozitlerin matrisi arasındaki uyumluluğu artırmak için basit ve düşük maliyetli bir çözüm döküm işlemi gösteriyoruz.

Abstract

Bu çalışmada, çözelti döküm yoluyla BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanokompozitlerin üretim sürecinde bir bağlantı ajanı olarak 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) ekleyerek seramik dolgu maddeleri ile polimer matris arasındaki uyumluluğu artırmak için kolay, düşük maliyetli ve yaygın olarak uygulanabilir bir yöntem geliştirilmiştir. Sonuçlar KH550 kullanımı seramik nanofiller yüzeyi değiştirebilirsiniz göstermektedir; bu nedenle, seramik-polimer arayüzünde iyi ıslaklık elde edildi ve gelişmiş enerji depolama performansları bağlantı maddesi uygun miktarda elde edildi. Bu yöntem, yüksek performanslı film kapasitörleri üretimi için son derece arzu edilir esnek kompozitler hazırlamak için kullanılabilir. İşlemde aşırı miktarda bağlantı maddesi kullanılırsa, bağlı olmayan bağlantı maddesi karmaşık reaksiyonlara katılabilir ve bu da dielektrik sabitinde azalmaya ve dielektrik kaybında artışa yol açar.

Introduction

Elektrik enerjisi depolama cihazlarında uygulanan dielektrikler esas olarak iki önemli parametre kullanılarak karakterize edilir: dielektrik sabiti (εr) ve arıza mukavemeti (Eb)1,2,3. Genel olarak, polipropilen (PP) gibi organik maddeler yüksek Eb (~102 MV/m) ve düşük εr (çoğunlukla <5)4,5,6 ise inorganik maddeler, batio3gibi özellikle ferroelektrik, yüksek εr (103-104) ve düşük E b (~100 MV/m)6,7,8. Bazı uygulamalarda, esneklik ve yüksek mekanik darbelere dayanma yeteneği de dielektrik kapasitörler4fabrikasyon için önemlidir. Bu nedenle, polimer bazlı dielektrik kompozitler hazırlamak için yöntemler geliştirmek için önemlidir, özellikle yüksek performanslı 0-3 nanokompozitler oluşturmak için yüksek maliyetli yöntemlerin geliştirilmesi için yüksek εr ve Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Bu amaçla, polar polimer PVDF ve ilişkili kopolimerler gibi ferroelektrik polimer matrislere dayalı hazırlama yöntemleri, yüksek εr (~10)4,19,20nedeniyle yaygın olarak kabul edilmektedir. Bu nanokompozitlerde, özellikle ferroelektrik seramik, yüksek erolanparçacıklar,yaygın olarak dolgu 6,20,21,22,23,24,25olarak kullanılmaktadır.

Seramik-polimer kompozit üretimi için yöntemler geliştirirken, dielektrik özelliklerinin dolgu maddeleri26’nındağılımından önemli ölçüde etkilenebileceği ne kadar genel bir endişe vardır? Dielektrik kompozitlerin homojenliği sadece hazırlama yöntemleri yle değil, matris ve dolgu maddeleri arasındaki ıslaklık27ile de belirlenir. Seramik-polimer kompozitlerin tekdüzeliğinin spin kaplama28,29 ve sıcak presleme19,26gibi fiziksel süreçlerle ortadan kaldırabileceği birçok çalışma ile kanıtlanmıştır. Ancak, bu iki işlemin hiçbiri dolgu maddeleri ve matrisler arasındaki yüzey bağlantısını değiştirmez; bu nedenle, bu yöntemlerle hazırlanan kompozitler hala εr ve Eb19,27iyileştirilmesi sınırlıdır. Ayrıca, bir üretim açısından bakıldığında, uygunsuz süreçler birçok uygulama için istenmeyen çünkü çok daha karmaşık üretim süreçlerine yol açabilir28,29. Bu bağlamda basit ve etkili bir yönteme ihtiyaç vardır.

Şu anda, seramik-polimer nanokompozitlerin uyumluluğunu artırmak için en etkili yöntem dolgu maddeleri ve matrisler arasındaki yüzey kimyasını değiştiren seramik nano taneciklerin tedavisine dayanmaktadır30,31. Son çalışmalar, bağlantı ajanları kolayca seramik nano tanecikleri üzerinde kaplanmış ve etkili döküm işlemi 32 ,33,,34,3335,36etkilemeden dolgu maddeleri ve matrisler arasında ıslaklığı değiştirmek olduğunu göstermiştir. Yüzey modifikasyonu için, her kompozit sistem için, enerji depolama yoğunluğunda maksimum bir artışa karşılık gelen uygun miktarda bağlantı maddesi olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir37; kompozitlerde aşırı bağlantı maddesi ürünlerin performansında bir düşüşe neden olabilir36,37,38. Nano boyutlu seramik dolgu maddeleri kullanan dielektrik kompozitler için, bağlantı maddesinin etkinliğinin esas olarak dolgu maddesinin yüzey alanına bağlı olduğu spekülasyonlardır. Ancak, her nano boyutlu sistemde kullanılacak kritik miktar henüz belirlenmemiştir. Kısacası, seramik-polimer nanokompozitüretimi için basit süreçler geliştirmek için kaplin ajanları kullanmak için daha fazla araştırma gereklidir.

Bu çalışmada, yüksek dielektrik sabiti ile en çok çalışılan ferroelektrik malzeme olan BaTiO3 (BT) dolgu maddesi olarak kullanılmış ve P(VDF-CTFE) %91 mol kopolimer (VC91) seramik-polimer kompozitlerin hazırlanmasında polimer matris olarak kullanılmıştır. BT nanofiller yüzeyini değiştirmek için, ticari olarak kullanılabilir 3-aminopropiltriethoxysilane (KH550) satın alındı ve bir kaplin ajan olarak kullanılır. Nanokompozit sistemin kritik miktarı bir dizi deney le belirlendi. Nano boyutlu kompozit sistemlerin enerji yoğunluğunu artırmak için kolay, düşük maliyetli ve yaygın olarak uygulanabilir bir yöntem gösterilmiştir.

Protocol

1. BT dolgu maddeleri yüzey modifikasyonu 20 mL KH550 çözeltisi hazırlayın (%1 wt KH550 in 95 wt% 95 etanol-su çözücü) ve 15 dakika ultrasonicate. Bt nano tanecikleri tartmak (yani, dolgu) ve KH550, sırasıyla, böylece dolgu 1, 2, 3, 4, 5 wt ile kaplanabilir bağlantı ajanı. 1.057, 2.114, 3.171, 4.228 ve 5.285 mL KH550 çözeltisi 30 dk ultrasonication tarafından BT nano tanecikleri 1 g tedavi. 80 °C’de 5 saat, 120 °C’de 12 0 000’de bir vakum fırınında karışımdan gelen …

Representative Results

Dolgu maddeleri farklı içeriği ile serbest duran nanokompozit filmler başarıyla protokolde açıklandığı gibi imal edildi ve xBT-VC91 olarak etiketlendi, x kompozitBT hacim yüzdesi nerede. KH550’nin (kaplin ajanının) bu BT-VC91 filmlerinin morfolojisi ve mikroyapısı üzerindeki etkisi SEM tarafından incelenmiş ve Şekil 1’degösterilmiştir. Şekil 1a ve Şekil 1b’de1 ve 5 wt kaplinli 30BT-VC91 nanokompozitlerin SEM g…

Discussion

Yukarıda da belirtildiği gibi, bu çalışma ile geliştirilen yöntem seramik-polimer nanokompozitlerin enerji depolama performansını başarıyla artırabilir. Bu yöntemin etkisini optimize etmek için seramik yüzey modifikasyonunda kullanılan bağlantı maddesi miktarını kontrol etmek çok önemlidir. ~200 nm çapında seramik nano tanecikler için, kh550’nin %2 wt’sinin maksimum enerji yoğunluğuna yol açabileceği deneysel olarak belirlenmiştir. Diğer kompozit sistemlerde, çapı ~200 nm’ye yakın dolgu …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Shanxi Eyaleti’nin (20192006) doktora başlangıç kurumu olan Taiyuan Bilim ve Teknoloji Bilimsel Araştırma İlk Fonu (20182028) tarafından desteklenmiştir. İl (201703D111003), Shanxi Eyaleti Bilim ve Teknoloji Ana Projesi (MC2016-01) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenen U610256 Projesi.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lines, M. E., Glass, A. M. . Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , (2001).
  2. Nalwa, H. S. . Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , (1999).
  3. Kao, K. C. . Dielectric phenomena in solids. , (2004).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Barsoum, M., Barsoum, M. W. . Fundamentals of ceramics. , (2002).
  8. Jaffe, B. . Piezoelectric ceramics. , (2012).
  9. Zhang, L., et al. All-organic dielectric nanocomposites using conducting polypyrrole nanoclips as filler. Composites Science Technology. 167, 285-293 (2018).
  10. 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).
  11. Xu, W., et al. Highly foldable PANi@ CNTs/PU dielectric composites toward thin-film capacitor application. Materials Letters. 192, 25-28 (2017).
  12. Zhang, L., et al. Nano-clip based composites with a low percolation threshold and high dielectric constant. Nano Energy. 26, 550-557 (2016).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Dang, Z. M., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  18. 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).
  19. Zhang, L., et al. Process and microstructure to achieve ultra-high dielectric constant in ceramic-polymer composites. Scientific Reports. 6, 35763 (2016).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Pan, Z., et al. Fast discharge and highenergy density of nanocomposite capacitors using Ba0.6Sr0.4TiO3nanofibers. Ceramics International. 42 (13), 14667-14674 (2016).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Dang, Z., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  27. Arbatti, M., Shan, X. B., Cheng, Z. Y. Ceramic-Polymer Composites with High Dielectric Constant. Advanced Materials. 19 (10), 1369-1372 (2007).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Mittal, K. L. . Silanes and Other Coupling Agents. 3, (2004).
  31. Zhang, X., et al. Superior Energy Storage Performances of Polymer Nanocomposites via Modification of Filler/Polymer Interfaces. Advanced Materials Interfaces. 5 (11), 1800096 (2018).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Shan, X. . High dielectric constant 0-3 ceramic-polymer composites. , (2009).

Tags

Polymer NanocompositesDielectric PropertiesCoupling AgentBarium TitanateSurface ModificationFilm CapacitorsSolution CastingHomogeneous Dispersion

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L., Liu, J., Li, Y. Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites. J. Vis. Exp. (163), e60916, doi:10.3791/60916 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image