Методическая статья

Применение агента соединения для улучшения диэлектрических свойств полимерных нанокомпозитов

DOI:

10.3791/60916

⸱

19 сентября 2020 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы демонстрируем простой и недорогой процесс литья решений для улучшения совместимости наполнителя и матрицы полимерных нанокомпозитов с использованием поверхностных модифицированных наполнителей BaTiO3, которые могут эффективно повысить плотность энергии композитов.

Аннотация

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

В этой работе был разработан простой, недорогой и широко применимый метод для улучшения совместимости керамических наполнителей и полимерной матрицы путем добавления 3-аминопропилтриетоксисилана (KH550) в качестве сопутствуя агента во время процесса изготовления baTiO3-P(VDF-CTFE) нанокомпозитов через литье раствора. Результаты показывают, что использование KH550 может изменить поверхность керамических нанофиллеров; таким образом, была достигнута хорошая пригодность на керамическо-полимерном интерфейсе, а улучшенные характеристики хранения энергии были получены подходящим количеством ас-агентов связи. Этот метод может быть использован для подготовки гибких композитов, что весьма желательно для производства высокую производительность конденсаторов пленки. Если в процессе используется чрезмерное количество ас-агентов связи, неприсое количество соединенных сцеплива может участвовать в сложных реакциях, что приводит к уменьшению диэлектрической константы и увеличению диэлектрических потерь.

Введение

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

Диэлектрики, применяемые в устройствах хранения электрической энергии, в основном характеризуются двумя важными параметрами: диэлектрической константой(r)и прочностью поломки(Eb)1,,2,,3. В целом, органические материалы, такие как полипропилен (PP) демонстрируют высокий Eb (102 МВ/м) инизкий q r (в основном lt;5) 4 ,5,6вто время как неорганические материалы, особенно ферроэлектрики, такие как BaTiO3, демонстрируют высокий r (103-104) и низкий Eb (100 MV/m)6,7,8.r В некоторых приложениях гибкость и способность выдерживать высокие механические воздействия также важны для изготовления диэлектрических конденсаторов4. Поэтому важно разработать методы подготовки полимерных диэлектрических композитов, особенно для разработки недорогих методов создания высокую производительность 0-3 нанокомпозитов с высоким qr и Eb9,,10,,11,,12,,13,,14,,15,,16,,17,,18. Для этого методы подготовки, основанные на ферроэлектрических полимерных матрицах, таких как полярный полимер PVDF и его коррелированные кополимеры широко принимаются из-заих более высокого r (No 10)4,19,20. В этих нанокомпозитах частицы с высоким er,особенно ферроэлектрической керамикой, широко используютсяв качестве наполнителей 6,,20,,21,,22,,23,,24,,25.

При разработке методов производства керамическо-полимерных композитов существует общая обеспокоенность тем, что диэлектрические свойства могут существенно зависеть от распределения наполнителей26. Однородность диэлектрических композитов определяется не только методами подготовки, но и наносимостью между матрицей и наполнителями27. Было доказано многимиисследованиями,что не однородность керамическо-полимерных композитов может быть устранена физическими процессами, такими какспин-покрытие 28,29 игорячее нажатие 19,26. Однако ни один из этих двух процессов не меняет поверхностную связь между наполнителями и матрицами; таким образом, композиты, подготовленные этими методами, по-прежнему ограничены вулучшении r и Eb19,27. Кроме того, с производственной точки зрения, неудобные процессы нежелательны для многих приложений, поскольку они могут привести к гораздо более сложным процессам изготовления28,,29. В этой связи необходим простой и эффективный метод.

В настоящее время наиболее эффективным методом повышения совместимости керамическо-полимерных нанокомпозитов является обработка керамических наночастиц, которая изменяет химию поверхности между наполнителями иматрицами 30,,31. Недавние исследования показали, что соединять агенты могут быть легко покрыты керамическими наночастицами и эффективно изменять wettability между наполнителями и матрицы, невлияя на процесс литья 32,33,34,35,36. Для модификации поверхности широко признано, что для каждой композитной системы имеется подходящее количество ас-агентов связи, что соответствует максимальному увеличению плотностихранения энергии 37; избыточное соединение агента в композитах может привести к снижению производительностипродукции 36,,37,,38. Для диэлектрических композитов с использованием наноразмерных керамических наполнителей, предполагается, что эффективность сопутственного агента в основном зависит от площади поверхности наполнителей. Однако критическое количество, используемое в каждой наноразмерной системе, еще предстоит определить. Короче говоря, необходимы дальнейшие исследования для использования агентов связи для разработки простых процессов для производства керамических полимерных нанокомпозитов.

В этой работе, BaTiO3 (BT), наиболее широко изученный ферроэлектрический материал с высокой диэлектрической постоянной, был использован в качестве наполнителей, и P (VDF-CTFE) 91/9 мол% кополимер (VC91) был использован в качестве полимерной матрицы для подготовки керамическо-полимерных композитов. Для изменения поверхности нанофиллеров BT, коммерчески доступны 3-аминопропилтриетоксисилана (KH550) был приобретен и использован в качестве агента связи. Критическое количество нанокомпозитной системы было определено в ходе серии экспериментов. Простой, недорогой и широко применимый метод демонстрируется для улучшения плотности энергии наноразмерных композитных систем.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Поверхностная модификация наполнителей BT

  1. Приготовьте 20 мл раствора KH550 (1 wt% KH550 в 95 wt% этанолово-водяного растворителя) и ультразвуковой в течение 15 мин.
  2. Взвешивание наночастиц BT (т.е. наполнителя) и KH550, соответственно, так, что наполнители могут быть покрыты 1, 2, 3, 4, 5 wt% от соответствующего агента. Лечить 1 г наночастиц BT в 1.057, 2.114, 3.171, 4.228, и 5.285 мл раствора KH550 на 30 мин ультразвука.
  3. Выпарить растворитель водяного этанола из смеси при температуре 80 градусов по Цельсию в течение 5 ч, а затем при температуре 120 градусов по Цельсию в течение 12 ч в вакуумной печи.
  4. Используйте сухие наночастицы BT в качестве поверхностных модифицированных наполнителей для подготовки нанокомпозитов BT-VC91.

2. Подготовка нанокомпозитов BT-VC91

  1. Растворите 0,3 г порошков VC91 в 10 мл N,N-диметилформамида (DMF) при комнатной температуре магнитным перемешиванием в течение 8 ч для получения однородного раствора VC91-DMF.
  2. Добавить 0.0542, 0.1145, 0.1819, 0.2578, 0.3437, и 0.4419 g наночастиц BT в 10 мл решения VC91-DMF для получения окончательного процента BT 5, 10, 15, 20, 25 и 30 vol% в нанокомпозитах. Смешайте bt наночастицы магнитным перемешиванием в течение 12 ч и ультразвуком в течение 30 минут, чтобы сформировать однородную подвеску BT-VC91-DMF.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используются как неизмененные наночастицы BT, так и BT, покрытые сопутическим агентом.
  3. Бросьте подвеску равномерно, выливая BT-VC91-DMF на разогретый 75 мм х 25 мм стеклянный субстрат (3 мл на субстрат). Держите стеклянные субстраты с подвесками в духовке при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 8 ч, чтобы испарять растворитель DMF для формирования композитных пленок.
  4. Выпустите композиты из стеклянных субстратов с помощью острых пинцетов для получения свободно стоящих пленок BT-VC91. Аннеал пленки на разогретой без пыли бумаге при 160 градусов по Цельсию в воздухе в течение 12 ч.

3. Характеристика и измерение

  1. Характеризовать морфологию и единообразие нанокомпозитов с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Для этого заморозить образцы BT-VC91 в жидком азоте и сломать, чтобы показать свежий поперечный сечение с приблизительным размером 5 мм х 30 мкм (т.е. керамический полимерный интерфейс). Затем покрыть одну сторону поперечного сечения золотым слоем толщиной 3,5 нм и охарактеризовать композитную структуру с помощью SEM(Таблица материалов).
  2. Использование золотого пальто(Таблица материалов), слои распыления золота с положительной формой круга, диаметром 3 мм и толщиной 50 нм по обе стороны от нанокомпозита, подготовленного из шага 2, чтобы сформировать электрод для тестирования на увеси.
  3. Характеризируйте емкость и диэлектрические потери нанокомпозитов в частотном диапазоне от 100 Гц до 1 МГц с помощью анализатора импульса(Таблица материалов)с функцией Cp-D. При тестировании соедините золотые слои по обе стороны композитной пленки с двумя полюсами арматуры.
  4. Рассчитайте диэлектрической константы(r)нанокомпозитов из емкости, полученной анализатором импульсов с помощью параллельной конденсаторной модели:

    Rq dCp/q0A

    гдеNo 0 и 8,85 х 10-12, является областью золотых электродов, d является толщина образца, и Cp параллельной емкости, полученной путем подключения золотых электродов с приспособлением анализатора.
  5. Характеризовать прочность разбивки нанокомпозитов с помощью поставщика высокого напряжения 10 кВ(таблица материалов). Увеличьте примененное электрическое поле равномерно и непрерывно до распада каждого образца.
  6. Характеризовать поляризацию-электрический (P-E) поле hysteresis цикл нанокомпозитов с помощью ферроэлектрического тестера. Запись P-E петли на каждом электрическом поле при постоянном увеличении электрического поля.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Свободно стоящие нанокомпозитные пленки с различным содержанием наполнителей были успешно изготовлены, как описано в протоколе, и были помечены как xBT-VC91, где x является процентом объема BT в композитах. Влияние KH550 (агент связи) на морфологию и микроструктуру этих фильмов BT-VC91 было изучено SEM и показано на рисунке 1. Sem изображения 30BT-VC91 нанокомпозиты с 1 и 5 wt% обрамитный агент показаны на рисунке 1a и рисунок 1b. Р...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Как уже говорилось выше, метод, разработанный в рамках этой работы, может успешно улучшить производительность хранения энергии керамических полимерных нанокомпозитов. Для оптимизации эффекта такого метода крайне важно контролировать количество сотых веществ, используемых в модификации керамической поверхности. Для керамических наночастиц диаметром 200 нм было экспериментально установлено, что 2 вт% KH550 может привести к максимальной плотности энергии. Для других композитных систем этот вывод может быть использован прибл...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторов нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Taiyuan университета науки и техники научных исследований первоначального финансирования (20182028), докторской стартовый фонд провинции Шаньси (20192006), Фонд естественных наук провинции Шаньси (201703D111003), научно-технический крупный проект провинции Шаньси (MC2016-01) и проект U610256 при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3-Аминопропилтриэтоксисилан (KH550)Sigma-Aldrich440140Жидкость, анализ: 99%
масс.% этанола-водыSigma-Aldrich459836 жидкость, анализ: 99,5%
BaTiO<суб>3 наночастицыUS ResearchNanomaterials US3830В диаметре около 200 нм
Сегнетоэлектрический тестерRadiantPrecision-LC100
Стеклянные подложкиCitoglas1639775 x 25 мм
Золотой коатерPelcoSC-6
Поставщик высокого напряженияTrek610D10 кВ
Анализатор импедансаKeysight4294A
N, N диметилформамидFisher ScientificGEN002007 жидкий
P(VDF-CTFE) 91/9 мол.% сополимер
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)ВакуумнаяJEOL JSM-7000F
Heefei Kejing Materials Technology Co, LtdDZF-6020
печь

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи