ポリマー系ナノ複合材料の誘電特性向上のためのカップリング剤の応用

電気エネルギー貯蔵装置に適用される誘電体は、主に誘電率(ε_r)と破壊強度(Eb)1、2、3_bの2つの重要なパラメータを使用して特徴付^{1,2,けられます}。一般に、ポリプロピ⁸レン(PP)などの有機材料は、高い_Eb(〜102 MV/m)および低_εr(主に<5)4、5、6を^,6示す一方で、無機材料、特に^2,5BaTiO3などの強誘電体⁷は、高₃⁴εr(103-104)及び低³_{Eb(〜1000MV/m)6}^6を示す。_r ^{40 ,}一部のアプリケーションでは、柔軟性と高い機械的衝撃に耐える能力も誘電体コンデンサ⁴を製造するために重要です。^,したがって、ポリマー系誘電体複合材料を調製する方法を開発することは重要であり、特に高いεとE_{r b}^{9、10、11、12、13、14、15、16、17、18,10,11,}の高性能0-3ナノコンポジットを作成するための低コスト方法の開発が重要である。^{12,1314,15,16,17,18}この目的のために、極性ポリマーPVDFおよびその相関共重合体のような強誘電体系ポリマーマトリックスに基づく調製方法は、その高いεr(〜10)4、19、20のために広く受け入れられている。^4,19,20_rこれらのナノコンポジットでは、高い_er、特に強誘電性セラミックスを有する粒子は、充填材^{6、20、21、22、23、24、2520,21,22,23,24,25}として広く使用されている。⁶

セラミックポリマー複合材料の製造方法を開発する場合、誘電特性がフィラー²⁶の分布によって大きく影響され得るという一般的な懸念がある。誘電体複合材料の均質性は、調製方法によって決定されるだけでなく、マトリックスと充填材²⁷との間の濡れ性によっても決定される。セラミックポリマー複合材料の不均一性は、スピンコーティング^28、29、およびホットプレス^2919、26,26などの物理的プロセスによって排除できることが多くの研究によって証明されている。^,ただし、これら 2 つのプロセスのどちらも、フィラーとマトリックスの間の表面接続を変更します。したがって、これらの方法によって調製された複合材料は、ε_rおよびE_b^19,27,27の改善において依然として制限されている。さらに、製造の観点から、不便なプロセスは、より複雑な製造プロセス^28、29につながる可能性があるため^、29多くのアプリケーションにとって望ましくない。この点で、簡単で効果的な方法が必要です。

現在、セラミックポリマーナノ複合材料の適合性を改善する最も有効な方法は、セラミックナノ粒子の処理に基づいており、フィラーとマトリックス^30,31,31の間の表面化学を修正する。最近の研究では、カップリング剤はセラミックナノ粒子上で容易にコーティング^,でき、鋳造プロセス32、33、34、35、36に影響を与えることなく、充填剤とマトリックス間の濡れ性を効果的に変更できることが示されている。^{32,33,34,3536}表面改質については、複合系ごとに、エネルギー貯蔵密度³⁷の最大増加に対応する適切な量のカップリング剤があることが広く受け入れられている。複合材料中の過剰なカップリング剤は、製品^{36、37、38,37,38}の性能低下をもたらす可能性があります。ナノサイズのセラミックフィラーを用いた誘電体複合材料の場合、カップリング剤の有効性は主に充填材の表面積に依存すると推測される。しかし、各ナノサイズのシステムに使用される臨界量は未定である。要するに、セラミック-ポリマーナノ複合材料を製造するための簡単なプロセスを開発するためにカップリング剤を使用するさらなる研究が必要です。

本研究では、高誘電率₃で最も広く研究されている強誘電体であるBaTiO3(BT)を充填材として使用し、P(VDF-CTFE)91/9モル%共重合体(VC91)をセラミックポリマー複合材料の製造用ポリマーマトリックスとして使用した。BTナノフィラーの表面を改変するために、市販の3-アミノプロピルトリエトキシシラン(KH550)を購入し、カップリング剤として使用した。ナノコンポジット系の重要量は、一連の実験を通じて決定された。ナノサイズの複合系のエネルギー密度を向上させるため、簡単で低コストで幅広く適用可能な方法が実証されています。