Her demonstrerer vi en enkel og rimelig løsningsstøpingsprosess for å forbedre kompatibiliteten mellom fyllstoffet og3 matrisen av polymerbaserte nanokompositer ved hjelp av overflatemodifiserte BaTiO 3-fyllstoffer, noe som effektivt kan forbedre energitettheten til komposittene.
I dette arbeidet ble en enkel, rimelig og allment anvendelig metode utviklet for å forbedre kompatibiliteten mellom de keramiske fyllstoffene og polymermatrisen ved å legge til 3-aminopropyltrietoksysilan (KH550) som koblingsmiddel under fabrikasjonsprosessen av BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanokompositer gjennom løsningsstøping. Resultatene viser at bruken av KH550 kan endre overflaten av keramiske nanofillers; Derfor ble god fuktbarhet på keramikk-polymer-grensesnittet oppnådd, og de forbedrede energilagringsytelsene ble oppnådd av en passende mengde koblingsmiddel. Denne metoden kan brukes til å forberede fleksible kompositter, noe som er svært ønskelig for produksjon av høyytelses film kondensatorer. Hvis en overdreven mengde koblingsmiddel brukes i prosessen, kan det ikke-vedlagte koblingsmiddelet delta i komplekse reaksjoner, noe som fører til en reduksjon i dielektrisk konstant og en økning i dielektrisk tap.
Dielektrierne som brukes i elektriske energilagringsenheter er hovedsakelig preget ved hjelp av to viktige parametere: dielektrisk konstant (εr) og nedbrytningsstyrken (Eb)1,2,3. Generelt viser organiske materialer som polypropylen (PP) en høy Eb (~ 102 MV / m) og en lav εr (for det meste <5)4,5,6 mens uorganiske materialer, spesielt ferroelektriske som BaTiO3,viser en høy εr (103-104) og en lav Eb (~ 100 MV / m)6,7,8. I noen applikasjoner er fleksibilitet og evnen til å tåle høye mekaniske støt også viktig for å fremstille dielektriske kondensatorer4. Derfor er det viktig å utvikle metoder for å forberede polymerbaserte dielektriske kompositter, spesielt for utvikling av rimelige metoder for å skape høyytelses 0-3 nanokompositer med høy εr og Eb9,,10,,11,12,13,14,15,16,17,18. For dette formålet er forberedelsesmetoder basert på ferroelektriske polymermatriser som polarpolymeren PVDF og dens korrelerte copolymerer allment akseptert på grunn av deres høyere εr (~ 10)4,,19,,20. I disse nanokomposites, partikler med høy er, spesielt ferroelektrisk keramikk, har blitt mye brukt somfyllstoffer 6,20,21,22,23,24,25.
Ved utvikling av metoder for produksjon av keramiske polymerkompositter, er det en generell bekymring for at dielektriske egenskaper kan påvirkes betydelig av fordelingen av fyllstoff26. Homogeniteten til dielektriske kompositter bestemmes ikke bare av preparatsmetodene, men også av fuktbarheten mellom matrisen og fyllstoffene27. Det har blitt bevist av mange studier at ikke-ensartethet av keramiske polymer kompositter kan elimineres av fysiske prosesser som spin-belegg28,,29 og hot-pressing19,26. Imidlertid endrer ingen av disse to prosessene overflateforbindelsen mellom fyllstoffer og matriser; Derfor er komposittene utarbeidet av disse metodene fortsatt begrenset i å forbedre εr og Eb19,27. I tillegg, fra et produksjonssynspunkt, er ubeleilige prosesser uønskede for mange applikasjoner fordi de kan føre til mye mer komplekse fabrikasjonsprosesser28,,29. I denne forbindelse er det nødvendig med en enkel og effektiv metode.
For tiden er den mest effektive metoden for å forbedre kompatibiliteten av keramiske polymer nanokompositer basert på behandling av keramiske nanopartikler, som endrer overflatekjemien mellom fyllstoffer og matriser30,,31. Nyere studier har vist at koblingsmidler lett kan belagt på keramiske nanopartikler og effektivt endre fuktbarheten mellom fyllstoffer og matriser uten å påvirke støpeprosessen32,,33,,34,,35,,36. For overflatemodifisering er det allment akseptert at for hvert komposittsystem er det en passende mengde koblingsmiddel, noe som tilsvarer en maksimal økning i energilagringstetthet37; overflødig koblingsmiddel i kompositter kan føre til en nedgang i ytelsen tilprodukter 36,37,38. For dielektriske kompositter ved hjelp av nano-størrelse keramiske fyllstoffer, spekuleres det i at effektiviteten av koblingsmiddel hovedsakelig avhenger av overflaten av fyllstoff. Den kritiske mengden som skal brukes i hvert nanostørrelsessystem er imidlertid ennå ikke bestemt. Kort sagt, videre forskning er nødvendig for å bruke koblingsmidler for å utvikle enkle prosesser for produksjon av keramiske polymer nanokompositer.
I dette arbeidet ble BaTiO3 (BT), det mest studerte ferroelektriske materialet med høy dielektrisk konstant, brukt som fyllstoff, og P(VDF-CTFE) 91/9 mol% copolymer (VC91) ble brukt som polymermatrise for fremstilling av keramiske polymerkompositter. For å endre overflaten av BT nanofillers, ble den kommersielt tilgjengelige 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) kjøpt og brukt som koblingsmiddel. Den kritiske mengden nanokompositsystem ble bestemt gjennom en rekke eksperimenter. En enkel, rimelig og allment anvendelig metode er demonstrert for å forbedre energitettheten til komposittsystemer i nanostørrelse.
Som omtalt ovenfor, kan metoden utviklet av dette arbeidet med hell forbedre energilagringsytelsen til keramiske polymer nanokompositer. For å optimalisere effekten av en slik metode, er det viktig å kontrollere mengden koblingsmiddel som brukes i keramisk overflatemodifisering. For keramiske nanopartikler med en diameter på ~ 200 nm, ble det eksperimentelt fastslått at 2 wt% av KH550 kunne føre til en maksimal energitetthet. For andre sammensatte systemer kan denne konklusjonen brukes omtrent når fyllstoffene med …
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Taiyuan University of Science and Technology Scientific Research Initial Funding (20182028), doktorgradsstartgrunnlaget for Shanxi-provinsen (20192006), Natural Science Foundation of Shanxi Province (201703D111003), Science and Technology Major Project of Shanxi Province (MC2016-01), og Project U610256 støttet av National Natural Science Foundation of China.
3-Aminopropyltriethoxysilane (KH550) | Sigma-Aldrich | 440140 | Liquid, Assay: 99% |
95 wt.% ethanol-water | Sigma-Aldrich | 459836 | Liquid, Assay: 99.5% |
BaTiO3 nanoparticles | US Research Nanomaterials | US3830 | In a diameter of about 200 nm |
Ferroelectric tester | Radiant | Precision-LC100 | |
Glass substrates | Citoglas | 16397 | 75 x 25 mm |
Gold coater | Pelco | SC-6 | |
High voltage supplier | Trek | 610D | 10 kV |
Impedance analyzer | Keysight | 4294A | |
N, N dimethylformamide | Fisher Scientific | GEN002007 | Liquid |
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% copolymer | |||
Scanning Electron Microscopy (SEM) | JEOL | JSM-7000F | |
Vacuum oven | Heefei Kejing Materials Technology Co, Ltd | DZF-6020 |