Application d’un agent de couplage pour améliorer les propriétés diélectriques des nanocomposites à base de polymères

Les diélectriques appliqués dans les dispositifs de stockage d’énergie électrique sont principalement caractérisés à l’aide de deux paramètres importants : la constante diélectrique (ε_r) et la résistance à la panne (E_b)^1,2,3. En général, les matières organiques telles que le polypropylène (PP) présentent un E_b élevé (~10² MV/m) et un faible ε_r (principalement <5)^4,5,6 tandis que les matériaux inorganiques, en particulier les ferroélectriques tels que BaTio₃, présentent un high ε_r (10³-10⁴) et un faible E _b (~10⁰ MV/m)^6,7,8. Dans certaines applications, la flexibilité et la capacité de résister à des impacts mécaniques élevés sont également importantes pour la fabrication de condensateurs diélectriques⁴. Par conséquent, il est important de développer des méthodes pour la préparation de composites diélectriques à base de polymère, en particulier pour le développement de méthodes à faible coût pour créer des nanocomposites haute performance 0-3 avec ε_r élevé et E_b^{9,10,11,12,13,14,15,16,17,18}. À cette fin, les méthodes de préparation basées sur des matrices de polymère ferroélectrique telles que le polymère polaire PVDF et ses coclymères corrélés sont largement acceptées en raison de leur_{ε r} (~10)^4,19,20. Dans ces nanocomposites, les particules à haute teneur en _{e r,}en particulier les céramiques ferroélectriques, ont été largement utilisées comme charges^{6,20,21,22,23,24,25}.

Lors de l’élaboration de méthodes de fabrication de composites céramiques-polymères, on craint généralement que les propriétés diélectriques puissent être significativement influencées par la distribution des charges²⁶. L’homogénéité des composites diélectriques est non seulement déterminée par les méthodes de préparation, mais aussi par la wettabilité entre la matrice et les charges²⁷. Il a été prouvé par de nombreuses études que la non-uniformité des composites en céramique-polymère peut être éliminée par des processus physiques tels que spin-revêtement^28,29 et hot-pressing^19,26. Cependant, aucun de ces deux processus ne modifie la connexion de surface entre les charges et les matrices; par conséquent, les composites préparés par ces méthodes sont encore limités dans l’amélioration de ε_r et E_b^19,27. En outre, d’un point de vue de fabrication, les processus gênants ne sont pas souhaitables pour de nombreuses applications, car ils peuvent conduire à des processus de fabrication beaucoup plus complexes^28,29. À cet égard, une méthode simple et efficace est nécessaire.

Actuellement, la méthode la plus efficace pour améliorer la compatibilité des nanocomposites céramique-polymère est basée sur le traitement des nanoparticules en céramique, qui modifie la chimie de surface entre les charges et les matrices^30,31. Des études récentes ont montré que les agents de couplage peuvent être facilement enduits sur des nanoparticules en céramique et modifier efficacement la mouillabilité entre les charges et les matrices sans affecter le processus de moulage^{32,33,34,35,36}. Pour la modification de surface, il est largement admis que pour chaque système composite, il existe une quantité appropriée d’agent de couplage, ce qui correspond à une augmentation maximale de la densité de stockage de l’énergie³⁷; l’agent de couplage excédentaire dans les composites peut entraîner une baisse de la performance des produits^36,37,38. Pour les composites diélectriques utilisant des charges en céramique de taille nano, il est spéculé que l’efficacité de l’agent de couplage dépend principalement de la surface des charges. Toutefois, la quantité critique à utiliser dans chaque système de taille nanométrique n’a pas encore été déterminée. En bref, d’autres recherches sont nécessaires pour utiliser des agents de couplage pour développer des procédés simples pour la fabrication de nanocomposites céramiques-polymères.

Dans ce travail, BaTio₃ (BT), le matériau ferroélectrique le plus largement étudié avec une constante diélectrique élevée, a été utilisé comme charges, et le P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymère (VC91) a été utilisé comme matrice polymère pour la préparation de composites céramique-polymère. Pour modifier la surface des nanofilleurs BT, le 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) disponible sur le marché a été acheté et utilisé comme agent de couplage. La quantité critique du système de nanocomposite a été déterminée par une série d’expériences. Il est démontré qu’une méthode simple, peu coûteuse et largement applicable améliore la densité énergétique des systèmes composites de taille nanométrique.