تطبيق عامل اقتران لتحسين خصائص عازلة من نانوكومبوسس القائم على البوليمر

وتتميز أساسا عازلة تطبيقها في أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام اثنين من المعايير الهامة: ثابت عازلة (ε_R)وقوة انهيار (E_ب)^1,2,3. بشكل عام، المواد العضوية مثل البولي بروبلين (PP) معرض E عالية _ب (~^{10 2 MV} /m)_{ومنخفضة} ε r (في الغالب < 5)^4،,5،,6 بينما المواد غير العضوية، خاصة ferroelectrics مثل BaTiO₃، معرض عالية ε_r (10³-10⁴⁾وE منخفضة _ب (~^{10 0 MV} / م)^6،7،8. في بعض التطبيقات، والمرونة والقدرة على تحمل الآثار الميكانيكية العالية هي أيضا مهمة لاصطناد المكثفات^{عازلة 4.} ولذلك، فمن المهم لتطوير أساليب لإعداد المركبات عازلة البوليمر القائم، وخاصة لتطوير أساليب منخفضة التكلفة لخلق عالية الأداء 0-3 nanocomposites مع ارتفاع ε_r وE_ب^{9،,10،,11،,12، 13،,13,14،,15،,16،,,18.17} لهذا الغرض، طرق إعداد على أساس مصفوفات البوليمرات الكهروئية مثل البوليمر القطبي PVDF و copolymers المرتبطة بها مقبولة على نطاق واسع نظرا لارتفاع ε_r (~10)^4،19،20. في هذه nanocomposites ، الجسيمات مع ارتفاع _{ه ص}، وخاصة السيراميك ferroelectric ، وقد استخدمت على نطاق واسع كما الحشو^{6،20،21،22،23،24،25.}

عند تطوير أساليب لتصنيع مركبات السيراميك والبوليمر، وهناك قلق عام أن خصائص عازلة يمكن أن تتأثر بشكل كبير من قبل توزيع الحشو²⁶. يتم تحديد تجانس المركبات عازلة ليس فقط من خلال أساليب التحضير، ولكن أيضا من قبل الرتمة بين المصفوفة وملء²⁷. وقد ثبت من قبل العديد من الدراسات أن عدم التوحيد من مركبات السيراميك البوليمر يمكن القضاء عليها من قبل العمليات الفيزيائية مثل تدور طلاء^28،29 والساخنة الضغط^19،26. ومع ذلك، لا يغير أي من هاتين العمليتين الاتصال السطحي بين الحشو والمصفوفات؛ ولذلك، فإن المركبات التي أعدتها هذه الأساليب لا تزال محدودة في تحسين ε_r وE_ب^19،27. بالإضافة إلى ذلك ، من وجهة نظر التصنيع ، والعمليات غير مريحة غير مرغوب فيها للعديد من التطبيقات لأنها يمكن أن تؤدي إلى عمليات التصنيع أكثر تعقيدا^{بكثير 28،29.} وفي هذا الصدد، هناك حاجة إلى طريقة بسيطة وفعالة.

حاليا، فإن الأسلوب الأكثر فعالية لتحسين التوافق من nanocomposites السيراميك البوليمر يقوم على معالجة جسيمات نانوية السيراميك، الذي يعدل كيمياء السطح بين الحشو والمصفوفات^30،31. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن عوامل اقتران يمكن أن تكون مغلفة بسهولة على جسيمات نانوية السيراميك وتعديل فعال للارتق بين الحشو والمصفوفات دون التأثير على عملية الصب^{32،33،34،35،36}. لتعديل السطح، فمن المقبول على نطاق واسع أن لكل نظام مركب، وهناك كمية مناسبة من وكيل اقتران، والذي يتوافق مع زيادة الحد الأقصى في كثافة تخزين الطاقة³⁷؛ قد يؤدي وكيل اقتران الزائدة في المركبات في انخفاض في أداء المنتجات^36,37,38. بالنسبة للمركبات العازلة باستخدام حشوات السيراميك بحجم النانو ، يتم التكهن بأن فعالية وكيل اقتران يعتمد بشكل رئيسي على مساحة السطح من الحشو. ومع ذلك، فإن الكمية الحرجة التي ستستخدم في كل نظام نانوي الحجم لم تحدد بعد. وباختصار، هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لاستخدام عوامل اقتران لتطوير عمليات بسيطة لتصنيع نانوكومبوسات السيراميك البوليمر.

في هذا العمل، استخدمت BaTiO₃ (BT)، المادة الحديدية الأكثر دراسة على نطاق واسع مع ثابت عازل عالية، كما الحشو، وP(VDF-CTFE) 91/9 mol٪ copolymer (VC91) واستخدمت مصفوفة البوليمر لإعداد مركبات السيراميك البوليمر. لتعديل سطح بريتيش تيليكوم nanofillers، تم شراؤها المتاحة تجاريا 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) واستخدامها كعامل اقتران. تم تحديد الكمية الحرجة من نظام النانو من خلال سلسلة من التجارب. طريقة سهلة ومنخفضة التكلفة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع هو موضح لتحسين كثافة الطاقة من أنظمة نانو الحجم المركبة.

1. تعديل السطح من الحشو BT

1. إعداد 20 مل من الحل KH550 (1 wt٪ KH550 في 95 wt٪ المذيبات الإيثانول الماء) و ultrasonicate لمدة 15 دقيقة.
2. وزن جسيمات نانو BT (أي حشو) و KH550 على التوالي، بحيث يمكن أن تكون مغلفة الحشو مع 1، 2، 3، 4، 5 wt٪ من وكيل اقتران. علاج 1 غرام من جسيمات نانوية BT في 1.057، 2.114، 3.171، 4.228، و 5.285 مل من KH550 حل من قبل ultrasonication 30.
3. يتبخر مذيب الماء الإيثانول من الخليط عند 80 درجة مئوية لمدة 5 ساعات ثم عند 120 درجة مئوية لمدة 12 ساعة في فرن فراغي.
4. استخدام الجسيمات النانوية بريتيش تيليكوم الجافة كما الحشو السطح المعدلة لإعداد بريتيش تيليكوم VC91 نانوكومبوست.

2. إعداد بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites

1. حل 0.3 غرام من مساحيق VC91 في 10 مل من N، N-dimethylformamide (DMF) في درجة حرارة الغرفة عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 8 ح للحصول على حل VC91-DMF متجانسة.
2. إضافة 0.0542, 0.1145، 0.1819، 0.2578، 0.3437، و0.4419 غرام من جسيمات بريتيش تيليكوم النانوية إلى 10 مل من حل VC91-DMF للحصول على نسبة بريتيش تيليكوم النهائية من 5، 10، 15، 20، 25، و 30% في النيانوين. مزيج جسيمات نانو بريتيش تيليكوم عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة و ultrasonication لمدة 30 دقيقة لتشكيل متجانسة BT-VC91-DMF تعليق.
   ملاحظة: يتم استخدام كل من جسيمات بريتيش تيليكوم وبريتيش تيليكوم النانوية غير المعدلة المغلفة بعامل الاقتران.
3. يلقي تعليق عن طريق صب بالتساوي BT-VC91-DMF على الركيزة الزجاجية مسخن 75 مم × 25 ملم (3 مل لكل الركيزة). الحفاظ على ركائز الزجاج مع تعليق في الفرن في 70 درجة مئوية لمدة 8 ساعة لتبخر المذيب DMF لتشكيل الأفلام المركبة.
4. إطلاق المركبات من ركائز الزجاج باستخدام ملاقط حادة للحصول على الأفلام بريتيش تيليكوم VC91 القائمة بذاتها. آنال الأفلام على ورقة محمّاة بالغبار في 160 درجة مئوية في الهواء لمدة 12 ساعة.

3- التوصيف والقياس

1. وصف مورفولوجيا وتناسق نانومبوسات باستخدام المجهر الإلكتروني المسح (SEM). للقيام بذلك، تجميد عينات BT-VC91 في النيتروجين السائل وكسر لإظهار مقطع عرضية جديدة مع حجم تقريبي 5 مم × 30 ميكرومتر (أي، واجهة السيراميك البوليمر). ثم معطف جانب واحد من المقطع العرضي مع طبقة الذهب بسمك 3−5 نانومتر وتميز الهيكل المركب باستخدام SEM (جدول المواد).
2. باستخدام مغطي الذهب (جدول المواد) ، طبقات ذهبية مع شكل دائرة إيجابية ، قطرها 3 ملم ، وسمك 50 نانومتر ~ على جانبي نانوكومبوزيد أعدت من الخطوة 2 لتشكيل القطب لاختبار المعاوقة.
3. وصف السعة وفقدان التحلل من نانوكومبوسس على مدى تردد من 100 هرتز إلى 1 ميغاهيرتز باستخدام محلل المعاوقة(جدول المواد)مع وظيفة Cp-D. في الاختبار، وربط طبقات الذهب على جانبي الفيلم المركب مع قطبي لاعبا اساسيا.
4. حساب ثابت عازلة (ε_R)من نانوكومبوسس من السعة التي حصل عليها محلل المعاوقة باستخدام نموذج مكثف متوازي:
   
   ε_r = dCp/ε₀A
   
   حيث ε₀ = 8.85 × 10^-12، A هي منطقة أقطاب الذهب ، د هو سمك العينة ، وCp هو السعة الموازية التي تم الحصول عليها عن طريق ربط الأقطاب الذهبية مع لاعبا اساسيا من محلل المعاوقة.
5. وصف قوة انهيار nanocomposites باستخدام 10 كيلو فولت المورد الجهد العالي(جدول المواد). زيادة الحقل الكهربائي المطبق بشكل مستمر ومتعادل حتى انهيار كل عينة.
6. تميز حلقة استيراس الحقل (P-E) في مجال الاستقطاب الكهربائي من النانومترية باستخدام مُختبر إلكتريك الحديدية. تسجيل الحلقات P-E في كل مجال كهربائي مع زيادة مستمر في مجال الكهرباء.

الأفلام النانوية القائمة بذاتها مع محتويات مختلفة من الحشو تم تصنيعها بنجاح كما هو موضح في البروتوكول ، ووصفت بأنها xBT -VC91 ، حيث x هي نسبة حجم بريتيش تيليكوم في المركبات. وقد درست تأثير KH550 (وكيل اقتران) على مورفولوجيا والهياكل الدقيقة لهذه الأفلام BT-VC91 من قبل SEM وعرضها في الشكل 1. وتظهر الصور SEM من 30BT-VC91 nanocomposites مع 1 و 5 wt٪ وكيل اقتران في الشكل 1a والشكل 1b. توزيع حشو من nanocomposites BT-VC91 مع 1 wt٪ KH550 هو أكثر كثافة وأكثر اتساقا من ذلك من بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites مع 5 wt٪ KH550، مما يشير إلى أن الجسيمات النانوية الخزفية المعالجة بكمية مناسبة من عوامل اقتران يمكن توزيعها بشكل موحد في نانوكومبوس أثناء الصب ، في حين أن الكمية المفرطة من عامل اقتران قد يسبب تفاعلات بين الجسيمات النانوية الخزفية ، مما يؤدي إلى تجميع الحشوات. تظهر صورة المقطع العرضي (أي واجهة السيراميك البوليمر) من 30BT-VC91 nanocomposites باستخدام كما وردت (غير معدلة) بريتيش تيليكوم الحشو في الشكل 1ج، في حين أن المقطع العرضي من 30BT -VC91 nanocomposites التي تحتوي على 1 wt٪ من KH550 يظهر في الشكل 1د. بالنسبة للـ nanocomposites باستخدام BT غير المصقول ، على الرغم من أن معظم الجسيمات النانوية مغلفة بإحكام في البوليمر ، لا يزال هناك بعض الفصل بين الحشو والمصفوفة ، مما يعني أنه لا يوجد رابط بين المصفوفة و الحشو. بالنسبة لل nanocomposites باستخدام KH550 المغلفة بريتيش تيليكوم، لا يوجد فصل بين جسيمات نانو بريتيش تيليكوم ومصفوفة VC91، مما يشير إلى أن عامل اقتران يمكن أن يعمل كجسر بين حشو والمصفوفة.

ثم تم اختبار الخصائص العازلة من nanocomposites مع كميات مختلفة من وكيل اقتران وعرضها في الشكل 2. تم رسم المحتوى عازلة مقابل كمية من وكيل اقتران في 1 كيلوهرتز و 100 كيلو هرتز في الشكل 2أ، ب. بالنسبة للـ nanocomposites ذات محتوى حشو منخفض (أي 5 و 10 و 15 vol%)، لم يتغير εr من المركبات بشكل أساسي عند استخدام كمية صغيرة من عوامل اقتران، وينخفض قليلاً مع كمية عوامل اقتران متزايدة. ل nanocomposites مع محتوى حشو عالية ، ولا سيما nanocomposites مع محتوى حشو من 30 المجلد ، و εR من المركبات يزيد بوضوح مع كمية صغيرة من وكيل اقتران ، ويقلل بشكل حاد مع زيادة زيادة وكيل اقتران المبلغ. عندما كانت كمية مناسبة من KH550 المغلفة على سطح بريتيش تيليكوم حشو، يمكن تحقيق الحد الأقصى εR. على سبيل المثال، تم تحقيق εr من 51 من 30BT-VC91 مع 2 wt٪ من KH550(الشكل 2a)، وهو أكبر بكثير من 30BT-VC91 دون KH550 (حوالي 40). في هذا النظام المركب ، وزيادة εr ل nanocomposites مع كمية صغيرة من وكيل اقتران يرجع إلى زيادة الارتع على واجهة البوليمر السيراميك ، و percolation ممكن من الإضافات6،10،33؛ انخفاض εr لBT-VC91 باستخدام جسيمات نانوية BT المغلفة بكمية كبيرة من KH550 يرجع إلى تشكيل VC91-KH550 يمزج البوليمر مع ثابت عازل منخفض. يمكن أن يعزى الفرق في الخصائص العازلة بين التعبئة المنخفضة وملء نانوكومبوسيات عالية إلى الكمية الفعلية من KH550 المستخدمة في إعداد العينة. تم رسم الخسارة عازلة مقابل مبلغ وكيل اقتران في 1 كيلوهرتز و 100 كيلوهرتز في الشكل 2ج، د. VC91 BT مع KH550 لديه خسارة عازلة أعلى من BT-VC91 دون KH550.

كما تم تسجيل نقاط القوة انهيار VC91 نانوموزات كما تظهر في الشكل 3. لتحديد المبلغ الحرج من وكيل اقتران، تم عرض قوة انهيار مقابل مبلغ من وكيل اقتران وقوة انهيار مقابل محتوى حشو في الشكل 3a والشكل 3b، على التوالي. كما هو متوقع، انخفض Eب BT-VC91 مع زيادة محتوى حشو(الشكل 3b)بسبب تشكيل واجهة السيراميك البوليمر. لوحظ A E القصوى ب 30BT-VC91 لـ المركبات المنتجة باستخدام الحشو المعالجة بـ 2 wt% KH550 (الشكل 3b). إذا تم استخدام كمية KH550 تتجاوز 2 wt٪ ، تم تقليل Eمن BT-VC91(الشكل 3a). بإضافة 2 wt٪ KH550، يمكن زيادة Eب 30BT-VC91 إلى 200 MV/m.

تم حساب كفاءة الشحن والتفريغ وكثافة الطاقة التفريغ من nanocomposites مع كمية مختلفة من وكيل اقتران من الحلقات P-E بهم. كمثال على كثافة الطاقة المحسنة بسبب استخدام عامل اقتران، يتم عرض خصائص تخزين الطاقة من 15BT-VC91 مع كمية مختلفة من KH550 في الشكل 4. كثافة الطاقة القصوى من بريتيش تيليكوم VC91 نانوكومبس مع كمية صغيرة من وكيل اقتران (1- 2 wt٪ زيادة على ما يبدو مقارنة مع تلك nanocomposites دون اقتران عامل (الشكل 4B) ، والتي يمكن أن تعزى أساسا إلى تعزيز قوة انهيار وعالية نسبيا تهمة التفريغ كفاءة (η). بسبب ارتفاع الخسارة تحت رفع ارتفاع الكهربائية، وη من بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites انخفض في التماسات كهربائية عالية نسبيا(الشكل 4a). إضافة 1 - 2 wt٪ من KH550 زيادة η من nanocomposites تحت حقل كهربائي ثابت(الشكل 4a) ، والتي نسبت إلى الجسر عرض ربط التأثير. وباختصار، بالنسبة لل nanocomposites أعدت في هذا العمل باستخدام جسيمات نانوية بريتيش تيليكوم مع ~ 200 نانومتر في القطر، فإن المبلغ الحرج من KH550 أصغر من 2 wt%.

ومن حيث الاعتماد على التردد من الخصائص العازلة، εr وتانδ من nanocomposites مقابل اختبار تردد ورسمت أيضا. على سبيل المثال، يتم عرض الخصائص العازلة من BT-VC91 مع 1 wt٪ وكيل اقتران في الشكل 5، والتي أشارت إلى أن الاعتمادات تردد من الخصائص العازلة (εr وتان تان) من جميع بريتيش VC91 nanocomposites تم تحديدها أساسا من قبل مصفوفة البوليمر بهم. انخفض تدريجيا εr من nanocomposites مع زيادة وتيرة (الشكل 5a). انخفضتان δ تدريجيا مع التردد في الترددات المنخفضة ولكن تدريجيا في الترددات العالية(الشكل 5b).

الشكل 1: صور SEM من المقاطع العرضية. حشو توزيع (أ) 30BT-VC91 مع 1 wt من KH550 و (ب) 30BT-VC91 مع 5 wt من KH550. السيراميك البوليمر واجهة من (ج) 30BT -VC91 دون KH550 و (د) 30BT -VC91 مع 1 wt من KH550. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: الخصائص الزلّية للمركبات مع كمية مختلفة من عوامل الإرهاب (أ)εr عند kHz 1 و(ب)εr عند kHz 100؛ (ج) تان تان في 1 كيلو هرتز و (d) تان تان في 100 كيلو هرتز. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: نقاط القوة انهيار nanocomposites مع كمية مختلفة من وكيل اقتران (أ) Eb من BT-VC91 كدالة من كمية KH550(ب)Eب BT-VC91 كدالة لمحتوى الحشو. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: أداء تخزين الطاقة من nanocomposites مع كمية مختلفة من وكيل اقتران (أ) تكلفة التفريغ وكفاءة (d) كثافة الطاقة التفريغ من 15BT -VC91 كدالة من كمية KH550. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: اعتماد التردد على الخصائص الزيلية للنيكومبوسات النانوية (أ)εr و (ب) تان تان من BT-VC91 مع 1 wt٪ من KH550. وقد تم تعديل هذا الرقم من تونغ وآخرون4. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.