Article de méthode

Application d’un agent de couplage pour améliorer les propriétés diélectriques des nanocomposites à base de polymères

DOI :

10.3791/60916

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19 septembre 2020

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1Taiyuan University of Science and Technology, 2Heavy Machinery Engineering Research Center of the Ministry of Education, 3Laboratory of Magnetic and Electric Functional Materials and Applications, The Key Laboratory of Shanxi Province, 4Beijing Institute of Aerospace System Engineering, 5Department of Electrical and Information Engineering, Sichuan College of Architectural Technology

Dans cet article

Résumé

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Ici, nous démontrons un processus simple et peu coûteux de coulée de solutions pour améliorer la compatibilité entre le remplissage et la matrice des nanocomposites à base de polymères à l’aide de charges BaTio3 modifiées en surface, ce qui peut améliorer efficacement la densité énergétique des composites.

Résumé

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Dans ce travail, une méthode facile, peu coûteuse et largement applicable a été développée pour améliorer la compatibilité entre les charges en céramique et la matrice polymère en ajoutant3des nanocomposites à 3-aminopropyltriethoxysyliques (KH550) comme agent de couplage pendant le processus de fabrication des nanocomposites BaTio 3-P(VDF-CTFE) par le biais de la coulée de solution. Les résultats montrent que l’utilisation de KH550 peut modifier la surface des nanofilleurs en céramique; par conséquent, une bonne wettabilité sur l’interface céramique-polymère a été atteint, et les performances améliorées de stockage d’énergie ont été obtenues par une quantité appropriée de l’agent de couplage. Cette méthode peut être utilisée pour préparer des composites flexibles, ce qui est hautement souhaitable pour la production de condensateurs de films de haute performance. Si une quantité excessive d’agent de couplage est utilisée dans le processus, l’agent de couplage non attaché peut participer à des réactions complexes, ce qui conduit à une diminution de la constante diélectrique et une augmentation de la perte diélectrique.

Introduction

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Les diélectriques appliqués dans les dispositifs de stockage d’énergie électrique sont principalement caractérisés à l’aide de deux paramètres importants : la constante diélectrique (εr) et la résistance à la panne (Eb)1,2,3. En général, les matières organiques telles que le polypropylène (PP) présentent un Eb élevé (~102 MV/m) et un faible εr (principalement <5)4,5,6 tandis que les matériaux inorganiques, en particulier les ferroélectriques tels que BaTio3, présentent un high εr (103-104) et un faible E b (~100 MV/m)6,7,8. Dans certaines applications, la flexibilité et la capacité de résister à des impacts mécaniques élevés sont également importantes pour la fabrication de condensateurs diélectriques4. Par conséquent, il est important de développer des méthodes pour la préparation de composites diélectriques à base de polymère, en particulier pour le développement de méthodes à faible coût pour créer des nanocomposites haute performance 0-3 avec εr élevé et Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. À cette fin, les méthodes de préparation basées sur des matrices de polymère ferroélectrique telles que le polymère polaire PVDF et ses coclymères corrélés sont largement acceptées en raison de leurε r (~10)4,19,20. Dans ces nanocomposites, les particules à haute teneur en e r,en particulier les céramiques ferroélectriques, ont été largement utilisées comme charges6,20,21,22,23,24,25.

Lors de l’élaboration de méthodes de fabrication de composites céramiques-polymères, on craint généralement que les propriétés diélectriques puissent être significativement influencées par la distribution des charges26. L’homogénéité des composites diélectriques est non seulement déterminée par les méthodes de préparation, mais aussi par la wettabilité entre la matrice et les charges27. Il a été prouvé par de nombreuses études que la non-uniformité des composites en céramique-polymère peut être éliminée par des processus physiques tels que spin-revêtement28,29 et hot-pressing19,26. Cependant, aucun de ces deux processus ne modifie la connexion de surface entre les charges et les matrices; par conséquent, les composites préparés par ces méthodes sont encore limités dans l’amélioration de εr et Eb19,27. En outre, d’un point de vue de fabrication, les processus gênants ne sont pas souhaitables pour de nombreuses applications, car ils peuvent conduire à des processus de fabrication beaucoup plus complexes28,29. À cet égard, une méthode simple et efficace est nécessaire.

Actuellement, la méthode la plus efficace pour améliorer la compatibilité des nanocomposites céramique-polymère est basée sur le traitement des nanoparticules en céramique, qui modifie la chimie de surface entre les charges et les matrices30,31. Des études récentes ont montré que les agents de couplage peuvent être facilement enduits sur des nanoparticules en céramique et modifier efficacement la mouillabilité entre les charges et les matrices sans affecter le processus de moulage32,33,34,35,36. Pour la modification de surface, il est largement admis que pour chaque système composite, il existe une quantité appropriée d’agent de couplage, ce qui correspond à une augmentation maximale de la densité de stockage de l’énergie37; l’agent de couplage excédentaire dans les composites peut entraîner une baisse de la performance des produits36,37,38. Pour les composites diélectriques utilisant des charges en céramique de taille nano, il est spéculé que l’efficacité de l’agent de couplage dépend principalement de la surface des charges. Toutefois, la quantité critique à utiliser dans chaque système de taille nanométrique n’a pas encore été déterminée. En bref, d’autres recherches sont nécessaires pour utiliser des agents de couplage pour développer des procédés simples pour la fabrication de nanocomposites céramiques-polymères.

Dans ce travail, BaTio3 (BT), le matériau ferroélectrique le plus largement étudié avec une constante diélectrique élevée, a été utilisé comme charges, et le P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymère (VC91) a été utilisé comme matrice polymère pour la préparation de composites céramique-polymère. Pour modifier la surface des nanofilleurs BT, le 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) disponible sur le marché a été acheté et utilisé comme agent de couplage. La quantité critique du système de nanocomposite a été déterminée par une série d’expériences. Il est démontré qu’une méthode simple, peu coûteuse et largement applicable améliore la densité énergétique des systèmes composites de taille nanométrique.

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Protocole

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1. Modification de surface des charges BT

  1. Préparer 20 mL de solution KH550 (1 wt% KH550 dans 95 wt% solvant éthanol-eau) et ultrasonique pendant 15 min.
  2. Peser les nanoparticules BT (c’est-à-dire le remplissage) et KH550, respectivement, de sorte que les charges peuvent être enduites de 1, 2, 3, 4, 5 wt% de l’agent de couplage. Traiter 1 g de nanoparticules BT en 1.057, 2.114, 3.171, 4.228, et 5.285 mL de solution KH550 par ultrasonication de 30 min.
  3. Évaporer le solvant eau-éthanol du mélange à 80 °C pendant 5 h, puis à 120 °C pendant 12 h dans un four à vide.
  4. Utilisez les nanoparticules BT sèches comme charges modifiées de surface pour préparer les nanocomposites BT-VC91.

2. Préparation des nanocomposites BT-VC91

  1. Dissoudre 0,3 g de poudres VC91 dans 10 mL de N,N-diméthylformamide (DMF) à température ambiante par agitation magnétique pendant 8 h pour obtenir une solution homogène VC91-DMF.
  2. Ajouter 0,0542, 0,1145, 0,1819, 0,2578, 0,3437 et 0,4419 g de nanoparticules BT en 10 mL de solution VC91-DMF pour obtenir un pourcentage final de BT de 5, 10, 15, 20, 25 et 30 vol% dans les nanocomposites. Mélanger les nanoparticules BT par agitation magnétique pendant 12 h et l’ultrasonication pendant 30 min pour former une suspension bt-VC91-DMF homogène.
    REMARQUE : Les nanoparticules BT et BT non modifiées recouvertes de l’agent de couplage sont utilisées.
  3. Lancer la suspension en versant uniformément le BT-VC91-DMF sur un substrat en verre préchauffé de 75 mm x 25 mm (3 mL par substrat). Gardez les substrats en verre avec des suspensions dans le four à 70 °C pendant 8 h pour évaporer le solvant DMF pour former des films composites.
  4. Relâchez les composites à partir de substrats en verre à l’aide de pinces à épiler pointues pour obtenir des films BT-VC91 autonomes. Anneal les films sur un papier préchauffé sans poussière à 160 °C dans l’air pendant 12 h.

3. Caractérisation et mesure

  1. Caractériser la morphologie et l’uniformité des nanocomposites à l’aide d’un microscope électronique à balayage (SEM). Pour ce faire, congeler les échantillons de BT-VC91 dans l’azote liquide et les casser pour montrer la section transversale fraîche avec une taille approximative de 5 mm x 30 μm (c.-à-d. l’interface céramique-polymère). Ensuite, enduisez un côté de la section transversale d’une couche d’or d’une épaisseur de 3 à 5 nm et caractérisez la structure composite à l’aide d’un SEM (Table of Materials).
  2. À l’aide d’un coater d’or (Table des matériaux),des couches d’or de pulvérisation avec une forme de cercle positive, un diamètre de 3 mm, et une épaisseur d'~50 nm des deux côtés de la nanocomposite préparée à partir de l’étape 2 pour former l’électrode pour l’essai d’impédance.
  3. Caractériser la capacité et la perte diélectrique des nanocomposites sur une plage de fréquences allant de 100 Hz à 1 MHz à l’aide d’un analyseur d’impédance (Tableau des matériaux)avec la fonction Cp-D. Dans les essais, connecter les couches d’or des deux côtés du film composite avec les deux pôles de montage.
  4. Calculer la constante diélectrique (εr)des nanocomposites à partir de la capacité obtenue par l’analyseur d’impédance à l’aide du modèle de condensateur parallèle :

    εr = dCp/ε0A

    où ε0 = 8,85 x 10-12, A est la zone des électrodes d’or, d est l’épaisseur de l’échantillon, et Cp est la capacité parallèle obtenue en reliant les électrodes d’or avec le montage de l’analyseur d’impédance.
  5. Caractériser la résistance de panne des nanocomposites à l’aide d’un fournisseur de haute tension de 10 kV (Tableau des matériaux). Augmentez le champ électrique appliqué uniformément et continuellement jusqu’à la ventilation de chaque échantillon.
  6. Caractériser la boucle d’hystéréèse de champ polarisation-électrique (P-E) des nanocomposites à l’aide d’un testeur ferroélectrique. Enregistrez les boucles P-E à chaque champ électrique tout en augmentant continuellement le champ électrique.

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Résultats

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Les films de nanocomposite autonomes avec différents contenus de charges ont été fabriqués avec succès comme décrit dans le protocole, et ont été étiquetés comme xBT-VC91, où x est le pourcentage de volume de BT dans les composites. L’effet de KH550 (agent de couplage) sur la morphologie et la microstructure de ces films BT-VC91 a été étudié par SEM et montré à la figure 1. Les images SEM des nanocomposites 30BT-VC91 avec un agent de couplage de 1 et 5 wt% sont présentées à

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Discussion

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Comme nous l’avons vu plus haut, la méthode développée par ces travaux pourrait améliorer avec succès les performances de stockage d’énergie des nanocomposites en céramique-polymère. Pour optimiser l’effet d’une telle méthode, il est essentiel de contrôler la quantité d’agent de couplage utilisé dans la modification de la surface céramique. Pour les nanoparticules en céramique d’un diamètre d’environ 200 nm, il a été déterminé expérimentalement que 2 wt% de KH550 pourrait conduire à une densité énergétique maximale. Pour...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par l’Université de Taiyuan de la recherche scientifique et technologique Financement initial (20182028), la fondation de départ au doctorat de la province du Shanxi (20192006), la Fondation des sciences naturelles de la province du Shanxi (201703D111003), le projet majeur scientifique et technologique de la province du Shanxi (MC2016-01) et le projet U610256 soutenus par la National Natural Science Foundation of China.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
3-Aminopropyltriethoxysilane (KH550)Sigma-Aldrich440140Liquide, dosage : 99%
95 % en poids d’éthanol-eauSigma-Aldrich459836Liquide, dosage : 99,5
BaTiO3 nanoparticulesUS Research NanomaterialsUS3830Dans un diamètre d’environ 200 nm
Testeur ferroélectriqueRadiantPrecision-LC100
Substrats en verreCitoglas1639775 x 25 mm
Revêtement d’orPelcoSC-6
Fournisseur haute tensionTrek610DAnalyseur d’impédance 10 kV
Keysight4294A
N, N diméthylformamideFisher ScientificGEN002007Liquid
P(VDF-CTFE) 91/9 mol. % copolymère
Microscopie électronique à balayage (MEB)JEOLJSM-7000F
Four à videHeefei Kejing Materials Technology Co, LtdDZF-6020
 %

Références

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