Applicazione di un agente di accoppiamento per migliorare le proprietà dielettriche dei nanocompositi basati su polimeri

I dielettri applicati nei dispositivi di stoccaggio dell’energia elettrica sono principalmente caratterizzati utilizzando due parametri importanti: la costante dielettrica (z_r) e la forza di rottura (E_b)^1,2,3. In generale, i materiali organici come il polipropilene (PP) presentano un’alta E_b (10² MV/m) e una bassa_r (per lo più <5)^4,5,6 mentre materiali inorganici, in particolare ferroelettrici come BaTiO₃, presentano un alto_r (10³-10⁴) e un basso E _b (10⁰ MV/m)^6,7,8. In alcune applicazioni, la flessibilità e la capacità di resistere a impatti meccanici elevati sono importanti anche per la fabbricazione di condensatori dielettri⁴. Pertanto, è importante sviluppare metodi per la preparazione di compositi dielettrico a base polimerica, in particolare per lo sviluppo di metodi a basso costo per creare 0-3 nanocompositi ad alte_prestazioni con alti r ed E_b^{9,10,11,12,13,14,15,16,17,18}. A tale scopo, i metodi di preparazione basati su matrici di polimeri ferroelettrici come il PVDF del polimero polare e i suoi copolimeri correlati sono ampiamente accettati a causa del loro più alto , r (10)^4,19,20._r In questi nanocompositi, le particelle con alta e_r, soprattutto ceramiche ferroelettriche, sono state ampiamente utilizzate come riempitivi^{6,20,21,22,23,24,25}.

Quando si sviluppano metodi per la produzione di compositi ceramico-polimero, vi è una preoccupazione generale che le proprietà dielettriche possono essere influenzate in modo significativo dalla distribuzione dei riempitivi²⁶. L’omogeneità dei compositi dielettrico non è determinata solo dai metodi di preparazione, ma anche dalla wettability tra la matrice e i filler²⁷. È stato dimostrato da molti studi che la non uniformità dei compositi ceramico-polimerici può essere eliminata da processi fisici come il rivestimento dello spin^28,29 e la pressatura a caldo^19,26. Tuttavia, nessuno di questi due processi modifica la connessione superficiale tra riempitivi e matrici; pertanto, i compositi preparati con questi metodi sono ancora limitati nel miglioramento di , R_ed E_b^19,27. Inoltre, dal punto di vista produttivo, i processi scomodi sono indesiderabili per molte applicazioni perché possono portare a processi di fabbricazione molto più^{complessi 28,29}. A questo proposito, è necessario un metodo semplice ed efficace.

Attualmente, il metodo più efficace per migliorare la compatibilità dei nanocompositi ceramico-polimero si basa sul trattamento delle nanoparticelle ceramiche, che modifica la chimica della superficie tra riempitivi e matrici^30,31. Recenti studi hanno dimostrato che gli agenti di accoppiamento possono essere facilmente rivestiti su nanoparticelle ceramiche e modificare efficacemente la wettability tra riempitivi e matrici senza influenzare il processo di colata^{32,33,34,35,36}. Per la modifica della superficie, è ampiamente accettato che per ogni sistema composito vi sia una quantità adeguata di agente di accoppiamento, che corrisponde ad un aumento massimo della densità di stoccaggio^{dell’energia 37}; l’eccesso di accoppiamento in compositi può comportare un calo delle prestazioni dei prodotti^36,37,38. Per i compositi dielettrico che utilizzano riempitivi ceramici di dimensioni nanometriche, si ipotizza che l’efficacia dell’agente di accoppiamento dipenda principalmente dalla superficie dei riempitivi. Tuttavia, la quantità critica da utilizzare in ogni sistema di dimensioni nanometriche deve ancora essere determinata. In breve, sono necessarie ulteriori ricerche per utilizzare agenti di accoppiamento per sviluppare semplici processi per la produzione di nanocompositi ceramico-polimero.

In questo lavoro, BaTiO₃ (BT), il materiale ferroelettrico più ampiamente studiato con alta costante dielettrica, è stato utilizzato come riempitivi, e il P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymer (VC91) è stato utilizzato come matrice polimerica per la preparazione di compositi ceramico-polimero. Per modificare la superficie dei nanofiller BT, il 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) disponibile in vendita è stato acquistato e utilizzato come agente di accoppiamento. La quantità critica del sistema nanocomposito è stata determinata attraverso una serie di esperimenti. Un metodo semplice, a basso costo e ampiamente applicabile è dimostrato per migliorare la densità energetica dei sistemi compositi di nano-dimensioni.