Toepassing van een koppelingsagent om de diëlektrische eigenschappen van op polymeren gebaseerde nanocomposieten te verbeteren
Summary
Hier demonstreren we een eenvoudig en goedkoop oplossingsgietproces om de compatibiliteit tussen de vuller en de matrix3 van op polymeer gebaseerde nanocomposieten te verbeteren met behulp van oppervlaktege gemodificeerde BaTiO 3-vulstoffen, die de energiedichtheid van de composieten effectief kunnen verbeteren.
Abstract
In dit werk werd een eenvoudige, goedkope en breed toepasbare methode ontwikkeld om de compatibiliteit tussen de keramische vulstoffen en de polymeermatrix te verbeteren door 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) toe te voegen als koppelingsmiddel tijdens het fabricageproces van BaTiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposieten via gietoplossing. De resultaten tonen aan dat het gebruik van KH550 het oppervlak van keramische nanofillers kan wijzigen; daarom werd een goede nattigheid op de keramische-polymeer interface bereikt, en de verbeterde energie-opslag prestaties werden verkregen door een geschikte hoeveelheid van de koppeling agent. Deze methode kan worden gebruikt om flexibele composieten te bereiden, wat zeer wenselijk is voor de productie van hoogwaardige filmcondensatoren. Als er in het proces een te grote hoeveelheid koppelingsmiddel wordt gebruikt, kan het niet-aangesloten koppelingsmiddel deelnemen aan complexe reacties, wat leidt tot een afname van de diëlektrische constante en een toename van diëlektrisch verlies.
Introduction
De diëlektrische stoffen die in elektrische energieopslagapparaten worden toegepast, worden voornamelijk gekenmerkt aan de hand van twee belangrijke parameters: de diëlektrische constante (εr)en de afbraaksterkte (Eb)1,2,3. In het algemeen vertonen organische materialen zoals polypropyleen (PP) een hoge Eb (~102 MV/m) en een lage εr (meestal <5)4,5,6 terwijl anorganische materialen, vooral ferro-elektrische stoffen zoals BaTiO3, vertonen een hoge εr (103-104) en een lage E b (~100 MV/m)6,7,8. In sommige toepassingen zijn flexibiliteit en het vermogen om hoge mechanische schokken te weerstaan ook belangrijk voor het fabriceren van diëlektrische condensatoren4. Daarom is het belangrijk om methoden te ontwikkelen voor de voorbereiding van op polymeer gebaseerde diëlektrische composieten, met name voor de ontwikkeling van goedkope methoden om hoogwaardige 0-3 nanocomposieten te creëren met hoge εr en Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Hiertoe worden bereidingsmethoden op basis van ferro-elektrische polymeermatrices zoals het poolpolymeer PVDF en de gecorreleerde copolymeren algemeen aanvaard vanwege hun hogere εr (~10)4,19,20. In deze nanocomposieten zijn deeltjes met een hoge r , met name ferro-elektrische keramiek , op grote schaal gebruikt als vulstoffen6,20,21,22,23,24,25. r
Bij de ontwikkeling van methoden voor de productie van keramische-polymeercomposieten bestaat de algemene bezorgdheid dat diëlektrische eigenschappen aanzienlijk kunnen worden beïnvloed door de verdeling van vulstoffen26. De homogeniteit van diëlektrische composieten wordt niet alleen bepaald door de bereidingsmethoden, maar ook door de nattigheid tussen de matrix en vulstoffen27. Het is bewezen door vele studies dat de niet-uniformiteit van keramisch-polymeer composieten kan worden geëlimineerd door fysieke processen zoals spin-coating28,29 en hot-pressing19,26. Geen van deze twee processen verandert echter de oppervlakteverbinding tussen vulstoffen en matrices; Daarom zijn de composieten die met deze methoden worden bereid, nog steeds beperkt in de verbetering van de εr en Eb19,27. Bovendien zijn onhandige processen vanuit productieoogpunt ongewenst voor veel toepassingen, omdat ze kunnen leiden tot veel complexere fabricageprocessen28,29. In dit verband is een eenvoudige en effectieve methode nodig.
Momenteel is de meest effectieve methode om de compatibiliteit van keramische polymeer nanocomposieten te verbeteren gebaseerd op de behandeling van keramische nanodeeltjes, die de oppervlaktechemie tussen vulstoffen en matrices30,31wijzigt . Recente studies hebben aangetoond dat koppelingsmiddelen gemakkelijk kunnen worden gecoat op keramische nanodeeltjes en de nattelijkheid tussen vulstoffen en matrices effectief kunnen wijzigen zonder het gietproces32,33,34,35,36te beïnvloeden . Voor oppervlaktemodificatie wordt algemeen aanvaard dat er voor elk composietsysteem een geschikte hoeveelheid koppelingsmiddel is, wat overeenkomt met een maximale toename van de energieopslagdichtheid37; overtollige koppelingsmiddel in composieten kan leiden tot een daling van de prestaties van de producten36,37,38. Voor diëlektrische composieten met behulp van keramische vulstoffen ter grootte van nanoformaat wordt gespeculeerd dat de effectiviteit van het koppelingsmiddel vooral afhangt van het oppervlak van vulstoffen. De kritische hoeveelheid die in elk nanosysteem moet worden gebruikt, moet echter nog worden bepaald. Kortom, verder onderzoek is nodig om koppelingsmiddelen te gebruiken om eenvoudige processen te ontwikkelen voor de productie van keramisch-polymeer nanocomposieten.
In dit werk werd BaTiO3 (BT), het meest bestudeerde ferro-elektrische materiaal met een hoge diëlektrische constante, gebruikt als vulstoffen, en de P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymeer (VC91) werd gebruikt als de polymeermatrix voor de bereiding van keramische polymeercomposieten. Om het oppervlak van de BT nanofillers te wijzigen, werd de commercieel verkrijgbaar 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) gekocht en gebruikt als koppelingsmiddel. De kritische hoeveelheid van het nanocomposietsysteem werd bepaald door middel van een reeks experimenten. Een eenvoudige, goedkope en breed toepasbare methode wordt aangetoond om de energiedichtheid van nano-sized composietsystemen te verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zoals hierboven besproken, zou de methode die door dit werk is ontwikkeld, de energieopslagprestaties van keramische polymeernanocomposieten met succes kunnen verbeteren. Om het effect van een dergelijke methode te optimaliseren, is het van cruciaal belang om de hoeveelheid koppelingsmiddel die wordt gebruikt bij keramische oppervlaktemodificatie te controleren. Voor keramische nanodeeltjes met een diameter van ~ 200 nm werd experimenteel vastgesteld dat 2 wt% van kh550 zou kunnen leiden tot een maximale energiedichtheid…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Taiyuan University of Science and Technology Scientific Research Initial Funding (20182028), de doctoraatsstichting van de provincie Shanxi (20192006), de Natural Science Foundation van de provincie Shanxi (201703D111003), het Science and Technology Major Project of Shanxi Province (MC2016-01) en Project U610256 ondersteund door 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).
