Artykuł metodologiczny

Zastosowanie czynnika sprzęgającego w celu poprawy właściwości dielektrycznych nanokompozytów na bazie polimerów

DOI:

10.3791/60916

⸱

19 września 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj demonstrujemy prosty i tani proces odlewania roztworu, aby poprawić kompatybilność między wypełniaczem a matrycą nanokompozytów na bazie polimerów za pomocą modyfikowanych powierzchniowo wypełniaczy BaTiO3, które mogą skutecznie zwiększyć gęstość energii kompozytów.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tej pracy opracowano łatwą, tanią i szeroko stosowaną metodę poprawy kompatybilności między wypełniaczami ceramicznymi a matrycą polimerową poprzez dodanie 3-aminopropylotrietoksysilanu (KH550) jako czynnika sprzęgającego podczas procesu produkcji nanokompozytów BaTiO3-P(vdf-ctfe) poprzez odlewanie roztworu. Wyniki pokazują, że zastosowanie KH550 może modyfikować powierzchnię nanowypełniaczy ceramicznych; W związku z tym uzyskano dobrą zwilżalność na granicy faz ceramiczno-polimerowych, a dzięki odpowiedniej ilości czynnika sprzęgającego uzyskano zwiększoną wydajność magazynowania energii. Metoda ta może być stosowana do otrzymywania elastycznych kompozytów, co jest bardzo pożądane przy produkcji wysokowydajnych kondensatorów foliowych. Jeśli w procesie zostanie użyta nadmierna ilość środka sprzęgającego, nieprzyłączony czynnik sprzęgający może uczestniczyć w złożonych reakcjach, co prowadzi do spadku stałej dielektrycznej i wzrostu strat dielektrycznych.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dielektryki stosowane w urządzeniach do magazynowania energii elektrycznej charakteryzują się głównie dwoma ważnymi parametrami: stałą dielektryczną (εr) i wytrzymałością na przebicie (Eb)1,2,3. Ogólnie rzecz biorąc, materiały organiczne, takie jak polipropylen (PP), wykazują wysokie Eb (~102 MV/m) i niskie εr (głównie <5)4,5,6, podczas gdy materiały nieorganiczne, zwłaszcza ferroelektryki, takie jak BaTiO3, wykazują wysoką εr (10 3-104) i niską Eb (~100 MV/m)6,7,8. W niektórych zastosowaniach elastyczność i zdolność do wytrzymywania silnych uderzeń mechanicznych są również ważne dla produkcji kondensatorów dielektrycznych4. Dlatego ważne jest opracowanie metod wytwarzania kompozytów dielektrycznych na bazie polimerów, zwłaszcza w celu opracowania niskokosztowych metod tworzenia wysokowydajnych nanokompozytów 0-3 o wysokiej εr i Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. W tym celu powszechnie akceptowane są metody przygotowania oparte na ferroelektrycznych matrycach polimerowych, takich jak polarny polimer PVDF i skorelowane z nim kopolimery, ze względu na ich wyższą εr (~10)4,19,20. W tych nanokompozytach cząstki o wysokiej wartościer, zwłaszcza ceramika ferroelektryczna, są szeroko stosowane jako wypełniacze6,20,21,22,23,24,25.

Podczas opracowywania metod produkcji kompozytów ceramiczno-polimerowych, istnieje ogólna obawa, że na właściwości dielektryczne może znacząco wpływać rozkład wypełniaczy26. O jednorodności kompozytów dielektrycznych decydują nie tylko metody przygotowania, ale także zwilżalność między matrycą a wypełniaczami27. W wielu badaniach udowodniono, że niejednorodność kompozytów ceramiczno-polimerowych może zostać wyeliminowana przez procesy fizyczne, takie jak powlekanie spinowe28,29 i prasowanie na gorąco19,26. Jednak żaden z tych dwóch procesów nie zmienia połączenia powierzchniowego między wypełniaczami a matrycami; w związku z tym kompozyty przygotowane tymi metodami są nadal ograniczone w ulepszaniuε r i Eb19,27. Dodatkowo, z punktu widzenia produkcji, niewygodne procesy są niepożądane w wielu zastosowaniach, ponieważ mogą prowadzić do znacznie bardziej złożonych procesów produkcyjnych28,29. W związku z tym potrzebna jest prosta i skuteczna metoda.

Obecnie, najskuteczniejszą metodą poprawy kompatybilności nanokompozytów ceramiczno-polimerowych jest obróbka nanocząstek ceramicznych, która modyfikuje chemię powierzchni między wypełniaczami a matrycami30,31. Ostatnie badania wykazały, że środki sprzęgające mogą być łatwo powlekane nanocząstkami ceramicznymi i skutecznie modyfikować zwilżalność między wypełniaczami a matrycami bez wpływu na proces odlewania32,33,34,35,36. W przypadku modyfikacji powierzchni powszechnie przyjmuje się, że dla każdego systemu kompozytowego istnieje odpowiednia ilość czynnika sprzęgającego, która odpowiada maksymalnemu wzrostowi gęstości magazynowania energii37; Nadmiar czynnika sprzęgającego w kompozytach może spowodować spadek wydajności produktów36,37,38. W przypadku kompozytów dielektrycznych wykorzystujących nanoziarniste wypełniacze ceramiczne spekuluje się, że skuteczność środka sprzęgającego zależy głównie od powierzchni wypełniaczy. Jednak krytyczna ilość, która ma być użyta w każdym systemie nano, nie została jeszcze określona. Krótko mówiąc, konieczne są dalsze badania w celu wykorzystania środków sprzęgających do opracowania prostych procesów wytwarzania nanokompozytów ceramiczno-polimerowych.

W tej pracy, BaTiO3 (BT), najczęściej badany materiał ferroelektryczny o wysokiej stałej dielektrycznej, został użyty jako wypełniacz, a kopolimer P(VDF-CTFE) 91/9 mol% (VC91) został użyty jako matryca polimerowa do przygotowania kompozytów ceramiczno-polimerowych. Aby zmodyfikować powierzchnię nanowypełniaczy BT, zakupiono dostępny na rynku 3-aminopropylotrietoksysilan (KH550) i zastosowano go jako środek sprzęgający. Krytyczna ilość systemu nanokompozytowego została określona za pomocą serii eksperymentów. Zademonstrowano łatwą, tanią i szeroko stosowaną metodę poprawy gęstości energii nanowymiarowych systemów kompozytowych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Modyfikacja powierzchni wypełniaczy BT

  1. Przygotować 20 ml roztworu KH550 (1% wag. KH550 w 95% wag. rozpuszczalnika etanolowo-wodnego) i ultrasonizować przez 15 minut.
  2. Zważyć nanocząstki BT (tj. wypełniacz) i KH550, odpowiednio, tak aby wypełniacze mogły być pokryte 1, 2, 3, 4, 5% wag. środka sprzęgającego. Potraktuj 1 g nanocząstek BT w 1.057, 2.114, 3.171, 4.228 i 5.285 ml roztworu KH550 przez 30 minut ultradźwięków.
  3. Odparować rozpuszczalnik woda-etanol z mieszaniny w temperaturze 80 °C przez 5 godzin, a następnie w temperaturze 120 °C przez 12 godzin w piecu próżniowym.
  4. Użyj suchych nanocząstek BT jako wypełniaczy o zmodyfikowanej powierzchni do przygotowania nanokompozytów BT-VC91.

2. Przygotowanie nanokompozytów BT-VC91

  1. Rozpuścić 0,3 g proszków VC91 w 10 ml N,N-dimetyloformamidu (DMF) w temperaturze pokojowej przez mieszanie magnetyczne przez 8 godzin, aby uzyskać jednorodny roztwór VC91-DMF.
  2. Dodaj 0,0542, 0,1145, 0,1819, 0,2578, 0,3437 i 0,4419 g nanocząstek BT do 10 ml roztworu VC91-DMF, aby uzyskać końcowy procent BT wynoszący 5, 10, 15, 20, 25 i 30 obj. w nanokompozytach. Mieszaj nanocząstki BT przez mieszanie magnetyczne przez 12 godzin i ultradźwięki przez 30 minut, aby utworzyć jednorodną zawiesinę BT-VC91-DMF.
    UWAGA: Stosowane są zarówno niemodyfikowane nanocząstki BT, jak i BT pokryte czynnikiem sprzęgającym.
  3. Odlewać zawiesinę, równomiernie wylewając BT-VC91-DMF na podgrzane szklane podłoże o wymiarach 75 mm x 25 mm (3 ml na podłoże). Szklane podłoża z zawiesinami należy przechowywać w piecu w temperaturze 70 °C przez 8 godzin, aby odparować rozpuszczalnik DMF w celu utworzenia warstw kompozytowych.
  4. Uwolnij kompozyty od szklanych podłoży za pomocą ostrej pęsety, aby uzyskać wolnostojące folie BT-VC91. Wyżarzać folie na podgrzanym papierze bezpyłowym w temperaturze 160 °C na powietrzu przez 12 godzin.

3. Charakterystyka i pomiar

  1. Scharakteryzuj morfologię i jednorodność nanokompozytów za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). W tym celu należy zamrozić próbki BT-VC91 w ciekłym azocie i rozbić, aby pokazać świeży przekrój o przybliżonej wielkości 5 mm x 30 μm (tj. granicy faz ceramiczno-polimerowych). Następnie pokryć jedną stronę przekroju poprzecznego warstwą złota o grubości 3−5 nm i scharakteryzować strukturę kompozytu za pomocą SEM (Tabela Materiałów).
  2. Za pomocą powlekarki do złota (Tabela Materiałów) napylaj warstwy złota o dodatnim kształcie koła, średnicy 3 mm i grubości ~50 nm po obu stronach nanokompozytu przygotowanego z kroku 2 w celu uformowania elektrody do badania impedancji.
  3. Scharakteryzować pojemność i straty dielektryczne nanokompozytów w zakresie częstotliwości od 100 Hz do 1 MHz za pomocą analizatora impedancji (tabela materiałów) z funkcją Cp-D. Podczas testów połącz warstwy złota po obu stronach folii kompozytowej z dwoma biegunami mocowania.
  4. Obliczyć stałą dielektryczną (εr) nanokompozytów na podstawie pojemności uzyskanej przez analizator impedancji przy użyciu modelu kondensatora równoległego:

    εr = dCp/ε0A

    gdzie ε0 = 8,85 x 10-12, A to powierzchnia złotych elektrod, d to grubość próbki, a Cp to pojemność równoległa uzyskana przez połączenie złotych elektrod z osprzętem analizatora impedancji.
  5. Scharakteryzować wytrzymałość nanokompozytów na przebicie przy użyciu zasilacza wysokiego napięcia 10 kV (Tabela materiałów). Zwiększać przyłożone pole elektryczne równomiernie i w sposób ciągły, aż do rozpadu każdej próbki.
  6. Scharakteryzuj pętlę histerezy pola polaryzaccyjno-elektrycznego (P-E) nanokompozytów za pomocą testera ferroelektrycznego. Rejestruj pętle PE przy każdym polu elektrycznym, stale zwiększając pole elektryczne.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wolnostojące folie nanokompozytowe z różną zawartością wypełniaczy zostały pomyślnie wyprodukowane zgodnie z opisem w protokole i zostały oznaczone jako xBT-VC91, gdzie x oznacza procent objętościowy BT w kompozytach. Wpływ KH550 (czynnika sprzęgającego) na morfologię i mikrostrukturę tych folii BT-VC91 został zbadany przez SEM i pokazany w Rysunek 1. Obrazy SEM nanokompozytów 30BT-VC91 z czynnikiem sprzęgającym 1 i 5% wag. są pokazane na Rysunek 1a i ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Jak omówiono powyżej, metoda opracowana w ramach tych prac może z powodzeniem poprawić wydajność magazynowania energii w nanokompozytach ceramiczno-polimerowych. Aby zoptymalizować efekt takiej metody, kluczowe jest kontrolowanie ilości środka sprzęgającego stosowanego w modyfikacji powierzchni ceramicznej. W przypadku nanocząstek ceramicznych o średnicy ~200 nm ustalono doświadczalnie, że 2% wag. KH550 może prowadzić do maksymalnej gęstości energii. W przypadku innych systemów kompozytowych wniosek ten można zastosować ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Początkowe Finansowanie Badań Naukowych Uniwersytetu Nauki i Technologii w Taiyuan (20182028), fundację doktorancką prowincji Shanxi (20192006), Fundację Nauk Przyrodniczych prowincji Shanxi (201703D111003), Główny Projekt Nauki i Technologii Prowincji Shanxi (MC2016-01) oraz Projekt U610256 wspierany przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
3-Aminopropylotrietoksysilan (KH550)Sigma-Aldrich440140Ciecz, Oznaczenie: 99%
95% wag. etanol-wodaCiecz Sigma-Aldrich459836, Oznaczenie: 99,5%
BaTiO3 nanocząstkiUS Research NanomaterialsUS3830W średnicy około 200 nm
Tester ferroelektrycznyRadiantPrecision-LC100
Podłoża szklaneCitoglas1639775 x 25 mm
Powlekarka do złotaPelcoSC-6
Zasilacz wysokiego napięciaTrek610D10 kV
Analizator impedancjiKeysight4294A
N, N dimetyloformamidFisher ScientificGEN002007Płynny
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% kopolimer
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)JEOLJSM-7000F
Piec próżniowyHeefei Kejing Materials Technology Co, LtdDZF-6020

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lines, M. E., Glass, A. M. Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , Oxford University Press. (2001).
  2. Nalwa, H. S. Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , Academic. San Diego, CA. (1999).
  3. Kao, K. C. Dielectric phenomena in solids. , Academic Press. (2004).
  4. Tong, Y., Li, L., Liu, J., Zhang, K., Jiang, Y. Influence of coupling agent on the microstructure and dielectric properties of free-standing ceramic-polymer composites. Materials Research Express. 6 (9), 095322(2019).
  5. Zhang, M., et al. Controlled functionalization of poly(4-methyl-1-pentene) films for high energy storage applications. Journal of Materials Chemistry A. 4 (13), 4797-4807 (2016).
  6. Zhang, L., Cheng, Z. Y. Development of polymer-based 0-3 composites with high dielectric constant. Journal of Advanced Dielectrics. 1 (04), 389-406 (2011).
  7. Barsoum, M., Barsoum, M. W. Fundamentals of ceramics. , CRC press. (2002).
  8. Jaffe, B. Piezoelectric ceramics. , Elsevier. (2012).
  9. Zhang, L., et al. All-organic dielectric nanocomposites using conducting polypyrrole nanoclips as filler. Composites Science Technology. 167, 285-293 (2018).
  10. Liao, X., et al. Flexible hdC-G reinforced polyimide composites with high dielectric permittivity. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 101, 50-58 (2017).
  11. Xu, W., et al. Highly foldable PANi@ CNTs/PU dielectric composites toward thin-film capacitor application. Materials Letters. 192, 25-28 (2017).
  12. Zhang, L., et al. Nano-clip based composites with a low percolation threshold and high dielectric constant. Nano Energy. 26, 550-557 (2016).
  13. Zhou, S., Zhou, G., Jiang, S., Fan, P., Hou, H. Flexible and refractory tantalum carbide-carbon electrospun nanofibers with high modulus and electric conductivity. Materials Letters. 200, 97-100 (2017).
  14. Zhang, L., Du, W., Nautiyal, A., Liu, Z., Zhang, X. Recent progress on nanostructured conducting polymers and composites: synthesis, application and future aspects. Science China Materials. 61 (3), 303-352 (2018).
  15. Xie, Y., Yu, Y., Feng, Y., Jiang, W., Zhang, Z. Fabrication of Stretchable Nanocomposites with High Energy Density and Low Loss from Cross-Linked PVDF Filled with Poly(dopamine) Encapsulated BaTiO3. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (3), 2995-3005 (2017).
  16. Zhang, L., Wu, P., Li, Y., Cheng, Z. Y., Brewer, J. C. Preparation process and dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites. Composite Part B: Engineering. 56, 284-289 (2014).
  17. Dang, Z. M., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  18. Wu, P., et al. Effect of coupling agents on the dielectric properties and energy storage of Ba0.5Sr0.5TiO3/P(VDF-CTFE) nanocomposites. AIP Advances. 7 (7), 075210(2017).
  19. Zhang, L., et al. Process and microstructure to achieve ultra-high dielectric constant in ceramic-polymer composites. Scientific Reports. 6, 35763(2016).
  20. Lu, X., Tong, Y., Cheng, Z. Y. Fabrication and characterization of free-standing, flexible and translucent BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanocomposite films. Journal of Alloys and Compounds. 770, 327-334 (2019).
  21. Goyal, R. K., Katkade, S. S., Mule, D. M. Dielectric, mechanical and thermal properties of polymer/BaTiO3 composites for embedded capacitor. Composites Part B: Engineering. 44 (1), 128-132 (2013).
  22. Pan, Z., et al. Fast discharge and highenergy density of nanocomposite capacitors using Ba0.6Sr0.4TiO3nanofibers. Ceramics International. 42 (13), 14667-14674 (2016).
  23. Hu, G., et al. Preparation and dielectric properties of poly(vinylidene fluoride)/Ba0.6Sr0.4TiO3 composites. Journal of Alloys and Compounds. 619, 686-692 (2015).
  24. Chen, Y., Chan, H. L. W., Choy, C. L. Nanocrystalline lead titanate and lead titanate/vinylidene fluoride-trifluoroethylene 0-3 nanocomposites. Journal of the American Ceramic Society. 81 (5), 1231-1236 (1998).
  25. Singh, P., Borkar, H., Singh, B. P., Singh, V. N., Kumar, A. Ferroelectric polymer-ceramic composite thick films for energy storage applications. AIP advances. 4 (8), 087117(2014).
  26. Dang, Z., et al. Fundamentals, processes and applications of high-permittivity polymer-matrix composites. Progress in Materials Science. 57 (4), 660-723 (2012).
  27. Arbatti, M., Shan, X. B., Cheng, Z. Y. Ceramic-Polymer Composites with High Dielectric Constant. Advanced Materials. 19 (10), 1369-1372 (2007).
  28. Fan, B., Liu, Y., He, D., Bai, J. Achieving polydimethylsiloxane/carbon nanotube (PDMS/CNT) composites with extremely low dielectric loss and adjustable dielectric constant by sandwich structure. Applied Physics Letters. 112 (5), 052902(2018).
  29. Liao, S., et al. A surface-modified TiO2 nanorod array/P(VDF-HFP) dielectric capacitor with ultra-high energy density and efficiency. Journal of Materials Chemistry C. 5 (48), 12777-12784 (2017).
  30. Mittal, K. L. Silanes and Other Coupling Agents. 3, CRC Press. (2004).
  31. Zhang, X., et al. Superior Energy Storage Performances of Polymer Nanocomposites via Modification of Filler/Polymer Interfaces. Advanced Materials Interfaces. 5 (11), 1800096(2018).
  32. Yeh, J. M., et al. Thermal and optical properties of PMMA-titania hybrid materials prepared by sol-gel approach with HEMA as coupling agent. Journal of Applied Polymer Science. 94 (1), 400-405 (2004).
  33. Yang, C., Song, H. S., Liu, D. B. Effect of coupling agents on the dielectric properties of CaCu3Ti4O12/PVDF composites. Composites Part B: Engineering. 50, 180-186 (2013).
  34. Iijima, M., Sato, N., Lenggoro, I. W., Kamiya, H. Surface Modification of BaTiO3 Particles by Silane Coupling Agents in Different Solvents and Their Effect on Dielectric Properties of BaTiO3/Epoxy Composites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 352 (1-3), 88-93 (2009).
  35. Zhang, Q., et al. Enhanced Dielectric Tunability of Ba0.6Sr0.4TiO3/Poly(vinylidene fluoride) Composites via Interface Modification by Silane Coupling. Agent. Composites Science and Technology. 129, 93-100 (2016).
  36. Dang, Z. M., Wang, H. Y., Xu, H. P. Influence of Silane Coupling Agent on Morphology and Dielectric Property in BaTiO3/Polyvinylidene fluoride Composites. Applied Physics Letters. 89 (11), 112902(2006).
  37. Tong, Y., Zhang, L., Bass, P., Rolin, T. D., Cheng, Z. Y. Influence of silane coupling agent on microstructure and properties of CCTO-P(VDF-CTFE) composites. Journal of Advanced Dielectrics. 8 (02), 1850008(2018).
  38. Shan, X. High dielectric constant 0-3 ceramic-polymer composites. , Auburn University. (2009).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Polymer NanocompositesBarium TitanatePVDF CTFESolution CastingSurface ModificationEnergy StorageFilm CapacitorsUltra sonication

Powiązane artykuły