Aplicación de un agente de acoplamiento para mejorar las propiedades dieléctricas de los nanocompuestos basados en polímeros

Los dieléctricos aplicados en los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica se caracterizan principalmente utilizando dos parámetros importantes: la constante dieléctrica (a_r)y la resistencia a la avería (E_b)^1,2,3. En general, los materiales orgánicos como el polipropileno (PP) exhiben un alto E_b (10² MV/m) y un bajo_r (principalmente <5)^4,5,6 mientras que los materiales inorgánicos, especialmente los ferroeléctricos como BaTiO₃, exhiben un alto_r (10³-10⁴) y un bajo E _b (10⁰ MV/m)^6,7,8. En algunas aplicaciones, la flexibilidad y la capacidad de soportar altos impactos mecánicos también son importantes para la fabricación de capacitores dieléctricos^4. Por lo tanto, es importante desarrollar métodos para la preparación de compuestos dieléctricos a base de polímeros, especialmente para el desarrollo de métodos de bajo costo para crear nanocompuestos de alto rendimiento 0-3 con alta_r y E_b^{9,10,11,12,13,14,15,16,17,18}. Para ello, los métodos de preparación basados en matrices de polímeros ferroeléctricos, como el polímero polar PVDF y sus copolímeros correlacionados, son ampliamente aceptados debido a su mayor_r (10)^4,19,20. En estos nanocompuestes, las partículas con alta e_r,especialmente la cerámica ferroeléctrica, han sido ampliamente utilizadas como rellenos^{6,,20,,21,,22,,23,,24,,25.}

Al desarrollar métodos para la fabricación de compuestos de polímero cerámico, existe una preocupación general de que las propiedades dieléctricas pueden verse significativamente influenciadas por la distribución de rellenos²⁶. La homogeneidad de los compuestos dieléctricos no sólo está determinada por los métodos de preparación, sino también por la humectabilidad entre la matriz y los rellenos²⁷. Se ha demostrado por muchos estudios que la no uniformidad de los compuestos de polímero cerámico puede eliminarse mediante procesos físicos como el revestimiento de espín^28,,29 y el prensado en caliente^19,,26. Sin embargo, ninguno de estos dos procesos cambia la conexión de superficie entre rellenos y matrices; por lo tanto, los compuestos preparados por estos métodos siguen siendo limitados en la mejora de_las letras r y E_b^19,27. Además, desde el punto de vista de la fabricación, los procesos inconvenientes son indeseables para muchas aplicaciones porque pueden conducir a procesos de fabricación mucho más complejos^28,,29. En este sentido, se necesita un método simple y eficaz.

Actualmente, el método más eficaz para mejorar la compatibilidad de los nanocompuestos de polímero cerámico se basa en el tratamiento de nanopartículas cerámicas, que modifica la química superficial entre rellenos y matrices^30,,31. Estudios recientes han demostrado que los agentes de acoplamiento pueden recubrirse fácilmente sobre nanopartículas cerámicas y modificar eficazmente la humectabilidad entre rellenos y matrices sin afectar al proceso de fundición^{32,33,34,35,36}. Para la modificación de la superficie, se acepta ampliamente que para cada sistema compuesto, hay una cantidad adecuada de agente de acoplamiento, que corresponde a un aumento máximo en la densidad de almacenamiento de energía³⁷; agente de acoplamiento excesivo en compuestos puede dar lugar a una disminución en el rendimiento de los productos^36,37,38. Para los compuestos dieléctricos que utilizan rellenos cerámicos de tamaño nanoeléctrico, se especula que la eficacia del agente de acoplamiento depende principalmente de la superficie de los rellenos. Sin embargo, la cantidad crítica que se utilizará en cada sistema de tamaño nanonúel aún está por determinarse. En resumen, se requieren más investigaciones para utilizar agentes de acoplamiento para desarrollar procesos simples para la fabricación de nanocompuesos de polímero cerámico.

En este trabajo, BaTiO₃ (BT), el material ferroeléctrico más estudiado con alta constante dieléctrica, se utilizó como rellenos, y el P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolímero (VC91) se utilizó como matriz de polímeros para la preparación de compuestos de polímeros cerámicos. Para modificar la superficie de los nanocargadores BT, se compró el 3-aminopropilethoxysilane (KH550) disponible comercialmente y se utilizó como agente de acoplamiento. La cantidad crítica del sistema nanocompueste se determinó a través de una serie de experimentos. Se ha demostrado que un método fácil, de bajo costo y ampliamente aplicable mejora la densidad energética de los sistemas compuestos de tamaño nanoantil.