Summary

Anvendelse av et koblingsmiddel for å forbedre de dielektriske egenskapene til polymerbaserte nanokompositer

Published: September 19, 2020
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Overflatemodifisering av BT-fyllstoffer Forbered 20 ml KH550-løsning (1 wt% KH550 i 95 wt% etanol-vannløsningsmiddel) og ultrasonicate i 15 min. Veie BT nanopartikler (det vil si fyllstoffet) og KH550, henholdsvis slik at fyllstoff kan belagt med 1, 2, 3, 4, 5 wt% av koblingsmiddelet. Behandle 1 g BT nanopartikler i 1.057, 2.114, 3.171, 4.228 og 5.285 ml KH550 løsning ved 30 min ultralydbehandling. Fordampe vann-etanol løsemiddel fra blandingen ved 80 °C i 5 timer og deretter ved 120…

Representative Results

De frittstående nanokompositfilmene med forskjellig innhold av fyllstoff ble med hell fabrikkert som beskrevet i protokollen, og ble merket som xBT-VC91, hvor x er volumprosenten av BT i komposittene. Effekten av KH550 (koblingsmiddel) på morfologi og mikrostruktur av disse BT-VC91 filmene ble studert av SEM og vist i figur 1. SEM-bildene av 30BT-VC91 nanokompositer med 1 og 5 wt% koblingsmiddel er vist i figur 1a og figur 1b. Fyl…

Discussion

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 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

References

  1. Lines, M. E., Glass, A. M. . Principles and applications of ferroelectrics and related materials. , (2001).
  2. Nalwa, H. S. . Handbook of low and high dielectric permittivity materials and their applications, phenomena, properties and applications. , (1999).
  3. Kao, K. C. . Dielectric phenomena in solids. , (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. , (2002).
  8. Jaffe, B. . Piezoelectric ceramics. , (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, (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. , (2009).

Play Video

Cite This Article
Li, H., Zhang, D., Li, Z., Li, L., Liu, J., Li, Y. Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites. J. Vis. Exp. (163), e60916, doi:10.3791/60916 (2020).

View Video