Aplicação de um agente de acoplamento para melhorar as propriedades dielétricas de nanocompactos baseados em polímeros

As dielétricas aplicadas em dispositivos de armazenamento de energia elétrica são caracterizadas principalmente usando dois parâmetros importantes: a constante dielétrica (ε_r) e a força de quebra(E_b)^1,,2,3. Em geral, materiais orgânicos como o polipropileno (PP) exibem um alto E_b (~10² MV/m) e um baixo ε_r (principalmente <5)^4,5,6 enquanto materiais inorgânicos, especialmente ferroelétricas como BaTiO₃, exibem um alto ε_r (10³-10⁴) e um baixo E _b (~10⁰ MV/m)^6,7,8. Em algumas aplicações, a flexibilidade e a capacidade de suportar altos impactos mecânicos também são importantes para a fabricação de capacitores dielétricos⁴. Por isso, é importante desenvolver métodos para a preparação de compósitos dielétricos à base de polímeros, especialmente para o desenvolvimento de métodos de baixo custo para criar nanocompostos de alto desempenho 0-3 com alto nível_r e E_b^{9,,10,,11,,12,,13,14,15,,16,,17,,18}. Para isso, métodos de preparação baseados em matrizes de polímeros ferroelétricos, como o polímero polar PVDF e seus copolímeros correlacionados são amplamente aceitos devido ao seu maior ε_r (~10)^4,19,20. Nestes nanocompositos, partículas com alta e_r, especialmente cerâmicas ferroelétricas, têm sido amplamente utilizadas como enchimentos^{6,20,21,22,,23,24,25}.

Ao desenvolver métodos para fabricação de compósitos cerâmicos-polímeros, há uma preocupação geral de que as propriedades dielétricas possam ser significativamente influenciadas pela distribuição dos enchimentos²⁶. A homogeneidade dos compósitos dielétricos não é determinada apenas pelos métodos de preparação, mas também pela wettability entre a matriz e os preenchimentos²⁷. Foi comprovado por muitos estudos que a não uniformidade dos compósitos cerâmicos-polímeros pode ser eliminada por processos físicos como spin-coating^28,,29 e hot-pressing^19,26. No entanto, nenhum desses dois processos altera a conexão superficial entre enchimentos e matrizes; portanto, os compósitos preparados por esses métodos ainda são limitados na melhoria_do ε r e E_b^19,27. Além disso, do ponto de vista da fabricação, processos inconvenientes são indesejáveis para muitas aplicações, pois podem levar a processos de fabricação muito mais complexos^28,29. Nesse sentido, é necessário um método simples e eficaz.

Atualmente, o método mais eficaz para melhorar a compatibilidade de nanocompositos de cerâmica-polímero baseia-se no tratamento de nanopartículas cerâmicas, que modifica a química superficial entre enchimentos e matrizes^30,31. Estudos recentes têm demonstrado que os agentes de acoplamento podem ser facilmente revestidos em nanopartículas cerâmicas e modificar efetivamente a wettability entre enchimentos e matrizes sem afetar o processo de fundição^{32,33,,34,,35,,36}. Para modificação de superfície, é amplamente aceito que para cada sistema composto, há uma quantidade adequada de agente de acoplamento, o que corresponde a um aumento máximo na densidade de armazenamento de energia³⁷; excesso de agente de acoplamento em compósitos pode resultar em uma queda no desempenho dos produtos^36,37,38. Para compósitos dielétricos usando enchimentos cerâmicos de tamanho nano, especula-se que a eficácia do agente de acoplamento depende principalmente da superfície dos enchimentos. No entanto, a quantidade crítica a ser usada em cada sistema nano-tamanho ainda está para ser determinada. Em suma, mais pesquisas são necessárias para usar agentes de acoplamento para desenvolver processos simples para fabricação de nanocompóposos de cerâmica-polímero.

Neste trabalho, o BaTiO₃ (BT), o material ferroelétrico mais estudado com alta constante dielétrica, foi utilizado como enchimento, e o copolímero P(VDF-CTFE) 91/9 mol% (VC91) foi utilizado como matriz de polímeros para a preparação de compósitos cerâmica-polímeros. Para modificar a superfície dos nanofiladores BT, o 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) foi comprado e usado como agente de acoplamento. A quantidade crítica do sistema de nanocomposto foi determinada através de uma série de experimentos. Um método fácil, de baixo custo e amplamente aplicável é demonstrado para melhorar a densidade energética de sistemas compostos nano-tamanho.