יישום של סוכן צימוד כדי לשפר את המאפיינים דילטריים של Nanocomposites מבוסס פולימר
Summary
כאן, אנו מדגימים תהליך פשוט בעלות נמוכה של פתרון-הטלת פתרון כדי לשפר את התאימות בין המילוי לבין המטריצה של nanocomposites מבוססי פולימר באמצעות משטח שונה BaTiO 3 חומרי מילוי, אשר יכול לשפר ביעילות אתצפיפות האנרגיה של החומרים המרוכבים.
Abstract
בעבודה זו, שיטה קלה, בעלות נמוכה, וישימה נרחבת פותחה כדי לשפר את התאימות בין חומרי מילוי קרמיקה מטריצת פולימר על ידי הוספת 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) כסוכן צימוד במהלך תהליך הייצור של BaTiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites באמצעות יציקת פתרון. התוצאות מראות כי השימוש KH550 יכול לשנות את פני השטח של nanofillers קרמיקה; לכן, wettability טוב על ממשק קרמיקה-פולימר הושגה, ואת ביצועי אחסון אנרגיה משופרת הושגו על ידי כמות מתאימה של סוכן צימוד. ניתן להשתמש בשיטה זו להכנת מרוכבים גמישים, דבר רצוי ביותר לייצור קבלי סרטים בעלי ביצועים גבוהים. אם כמות מוגזמת של סוכן צימוד משמש בתהליך, סוכן צימוד שאינו מצורף יכול להשתתף בתגובות מורכבות, מה שמוביל לירידה קבוע dielectric ועלייה באובדן דילטרי.
Introduction
דילקלריה המיושם בהתקני אחסון אנרגיה חשמלית מאופיינת בעיקר באמצעות שני פרמטרים חשובים: קבוע דיאלקטרי (εr)ואת כוח ההתמוטטות (Eb)1,,2,,3. באופן כללי, חומרים אורגניים כגון פוליפרופילן (PP) מציגים Eb גבוה (~ 102 MV /m) ו εr נמוך (בעיקר <5)4,,5, 6,בעוד חומרים אורגניים, במיוחד ferroelectrics כגון BaTiO3, להפגין εגבוה r (103-10 4) ו E bנמוך (~ 100 MV / מ”ר)6,,7,8. ביישומים מסוימים, גמישות ואת היכולת לעמוד השפעות מכניות גבוהות חשובים גם עבור זיוף קבלים דיילטריים4. לכן, חשוב לפתח שיטות להכנת מרוכבים דילטריים מבוססי פולימר, במיוחד לפיתוח שיטות בעלות נמוכה כדי ליצור ביצועים גבוהים 0-3 nanocomposites עם εr גבוה ו Eb9,10,11,12,13,14,,15,16,17,18. לשם כך, שיטות הכנה המבוססות על מטריצות פולימר פרואלקטריות כגון פולימר PVDF קוטבי וקופולימרים בקורלציה שלה מתקבלים באופן נרחב בשל שלהם εr גבוה (~ 10)4,,19,20. ב nanocomposites אלה, חלקיקים עם er גבוה, במיוחד קרמיקה ferroelectric, שימשו באופן נרחב חומרי מילוי6,20,,21,,22,,23,,24,25.,
בעת פיתוח שיטות לייצור מרוכבים קרמיקה-פולימר, יהיה חשש כללי כי תכונות dielectric יכול להיות מושפע באופן משמעותי על ידי התפלגות חומרי מילוי26. ההומוגניות של מרוכבים דיילקטיים נקבעת לא רק על ידי שיטות ההכנה, אלא גם על ידי הנווה בין המטריצה למילוי27. הוכח על ידי מחקרים רבים כי אי אחידות של מרוכבים קרמיקה-פולימר ניתן לחסל על ידי תהליכים פיזיים כגוןספין ציפוי 28,,29 וחם לחיצה 19,,26. עם זאת, אף אחד משני תהליכים אלה לא משנה את חיבור פני השטח בין חומרי מילוי ומטריות; לכן, מרוכבים שהוכנו על ידי שיטות אלה עדיין מוגבלים בשיפור εr ו- Eb19,27. בנוסף, מנקודת מבט ייצור, תהליכים לא נוחים אינם רצויים עבור יישומים רבים כי הם יכולים להוביל לתהליכי ייצור הרבה יותרמורכבים 28,29. בהקשר זה, נדרשת שיטה פשוטה ויעילה.
כיום, השיטה היעילה ביותר כדי לשפר את התאימות של ננו-מבנים קרמיים פולימר מבוסס על הטיפול של חלקיקים קרמיים, אשר משנה את הכימיה פני השטח בין חומרי מילוימטריצות 30,31. מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי סוכני צימוד יכול להיות מצופה בקלות על חלקיקים קרמיים ולמעשה לשנות את הנוהר בין חומרי מילוי מטריצות מבלי להשפיע עלתהליך הליהוק 32,33,34,35,36. לשינוי פני השטח, מקובל כי עבור כל מערכת מורכבת, יש כמות מתאימה של סוכן צימוד, אשר מתאים לעלייה מקסימליתבצפיפות אחסון אנרגיה 37; סוכן צימוד עודף במרוכבים עלול לגרום לירידה בביצועיםשל מוצרים 36,37,38. עבור מרוכבים dielectric באמצעות חומרי מילוי קרמיקה בגודל ננו, הוא העריך כי היעילות של סוכן צימוד תלוי בעיקר על פני השטח של חומרי מילוי. עם זאת, הכמות הקריטית לשימוש בכל מערכת בגודל ננו עדיין לא נקבעה. בקיצור, נדרש מחקר נוסף כדי להשתמש בחומרי צימוד כדי לפתח תהליכים פשוטים לייצור ננו-מבנים קרמיים-פולימר.
בעבודה זו, BaTiO3 (BT), החומר הפולרואלקטרי הנפוץ ביותר עם קבוע דיאלקטרי גבוה, שימש כמילויים, ו P(VDF-CTFE) 91/9 מול% קופולימר (VC91) שימש מטריצת פולימר להכנת מרוכבים קרמיקה-פולימר. כדי לשנות את פני השטח של nanofillers BT, זמין מסחרית 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) נרכשה ושמשה כסוכן צימוד. הכמות הקריטית של מערכת הננו-מוליטיס נקבעה באמצעות סדרת ניסויים. שיטה קלה, בעלות נמוכה וישימה באופן נרחב מדגימה כדי לשפר את צפיפות האנרגיה של מערכות מרוכבות בגודל ננו.
Protocol
Representative Results
Discussion
כפי שנדון לעיל, השיטה שפותחה על ידי עבודה זו יכול לשפר בהצלחה את ביצועי אחסון האנרגיה של ננו-מבנים קרמיים פולימר. כדי לייעל את ההשפעה של שיטה כזו, זה קריטי כדי לשלוט בכמות סוכן צימוד המשמש שינוי משטח קרמיקה. עבור חלקיקים קרמיקה בקוטר של ~ 200 ננומטר, נקבע באופן ניסיוני כי 2 wt% של KH550 יכול להוביל ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי אוניברסיטת טאי יואן למדע וטכנולוגיה מימון ראשוני למחקר מדעי (20182028), הבסיס ההתחלתי לדוקטורט של מחוז שאנשי (20192006), הקרן למדעי הטבע של שאנשי מחוז (201703D111003), פרויקט המדע והטכנולוגיה הגדול של מחוז שאנשי (MC2016-01) ופרויקט U610256 נתמך על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין.
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).
