Yöntem makalesi

Polimer Bazlı Nanokompozitlerin Dielektrik Özelliklerini Geliştirmek İçin Kaplin Maddesi Uygulaması

DOI:

10.3791/60916

⸱

19 Eylül 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

Bu makalede

Özet

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

Burada, kompozitlerin enerji yoğunluğunu etkili bir şekilde artırabilen yüzey modifiye edilmiş BaTiO3 dolgu maddeleri kullanarak dolgu ve polimer bazlı nanokompozitlerin matrisi arasındaki uyumluluğu artırmak için basit ve düşük maliyetli bir çözüm döküm işlemi gösteriyoruz.

Özet

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

Bu çalışmada, çözelti döküm yoluyla BaTiO3-P (VDF-CTFE) nanokompozitlerin üretim sürecinde bir bağlantı ajanı olarak 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) ekleyerek seramik dolgu maddeleri ile polimer matris arasındaki uyumluluğu artırmak için kolay, düşük maliyetli ve yaygın olarak uygulanabilir bir yöntem geliştirilmiştir. Sonuçlar KH550 kullanımı seramik nanofiller yüzeyi değiştirebilirsiniz göstermektedir; bu nedenle, seramik-polimer arayüzünde iyi ıslaklık elde edildi ve gelişmiş enerji depolama performansları bağlantı maddesi uygun miktarda elde edildi. Bu yöntem, yüksek performanslı film kapasitörleri üretimi için son derece arzu edilir esnek kompozitler hazırlamak için kullanılabilir. İşlemde aşırı miktarda bağlantı maddesi kullanılırsa, bağlı olmayan bağlantı maddesi karmaşık reaksiyonlara katılabilir ve bu da dielektrik sabitinde azalmaya ve dielektrik kaybında artışa yol açar.

Giriş

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

Elektrik enerjisi depolama cihazlarında uygulanan dielektrikler esas olarak iki önemli parametre kullanılarak karakterize edilir: dielektrik sabiti (εr) ve arıza mukavemeti (Eb)1,2,3. Genel olarak, polipropilen (PP) gibi organik maddeler yüksek Eb (~102 MV/m) ve düşük εr (çoğunlukla <5)4,5,6 ise inorganik maddeler, batio3gibi özellikle ferroelektrik, yüksek εr (103-104) ve düşük E b (~100 MV/m)6,7,8. Bazı uygulamalarda, esneklik ve yüksek mekanik darbelere dayanma yeteneği de dielektrik kapasitörler4fabrikasyon için önemlidir. Bu nedenle, polimer bazlı dielektrik kompozitler hazırlamak için yöntemler geliştirmek için önemlidir, özellikle yüksek performanslı 0-3 nanokompozitler oluşturmak için yüksek maliyetli yöntemlerin geliştirilmesi için yüksek εr ve Eb9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Bu amaçla, polar polimer PVDF ve ilişkili kopolimerler gibi ferroelektrik polimer matrislere dayalı hazırlama yöntemleri, yüksek εr (~10)4,19,20nedeniyle yaygın olarak kabul edilmektedir. Bu nanokompozitlerde, özellikle ferroelektrik seramik, yüksek erolanparçacıklar,yaygın olarak dolgu 6,20,21,22,23,24,25olarak kullanılmaktadır.

Seramik-polimer kompozit üretimi için yöntemler geliştirirken, dielektrik özelliklerinin dolgu maddeleri26'nındağılımından önemli ölçüde etkilenebileceği ne kadar genel bir endişe vardır? Dielektrik kompozitlerin homojenliği sadece hazırlama yöntemleri yle değil, matris ve dolgu maddeleri arasındaki ıslaklık27ile de belirlenir. Seramik-polimer kompozitlerin tekdüzeliğinin spin kaplama28,29 ve sıcak presleme19,26gibi fiziksel süreçlerle ortadan kaldırabileceği birçok çalışma ile kanıtlanmıştır. Ancak, bu iki işlemin hiçbiri dolgu maddeleri ve matrisler arasındaki yüzey bağlantısını değiştirmez; bu nedenle, bu yöntemlerle hazırlanan kompozitler hala εr ve Eb19,27iyileştirilmesi sınırlıdır. Ayrıca, bir üretim açısından bakıldığında, uygunsuz süreçler birçok uygulama için istenmeyen çünkü çok daha karmaşık üretim süreçlerine yol açabilir28,29. Bu bağlamda basit ve etkili bir yönteme ihtiyaç vardır.

Şu anda, seramik-polimer nanokompozitlerin uyumluluğunu artırmak için en etkili yöntem dolgu maddeleri ve matrisler arasındaki yüzey kimyasını değiştiren seramik nano taneciklerin tedavisine dayanmaktadır30,31. Son çalışmalar, bağlantı ajanları kolayca seramik nano tanecikleri üzerinde kaplanmış ve etkili döküm işlemi 32 ,33,,34,3335,36etkilemeden dolgu maddeleri ve matrisler arasında ıslaklığı değiştirmek olduğunu göstermiştir. Yüzey modifikasyonu için, her kompozit sistem için, enerji depolama yoğunluğunda maksimum bir artışa karşılık gelen uygun miktarda bağlantı maddesi olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir37; kompozitlerde aşırı bağlantı maddesi ürünlerin performansında bir düşüşe neden olabilir36,37,38. Nano boyutlu seramik dolgu maddeleri kullanan dielektrik kompozitler için, bağlantı maddesinin etkinliğinin esas olarak dolgu maddesinin yüzey alanına bağlı olduğu spekülasyonlardır. Ancak, her nano boyutlu sistemde kullanılacak kritik miktar henüz belirlenmemiştir. Kısacası, seramik-polimer nanokompozitüretimi için basit süreçler geliştirmek için kaplin ajanları kullanmak için daha fazla araştırma gereklidir.

Bu çalışmada, yüksek dielektrik sabiti ile en çok çalışılan ferroelektrik malzeme olan BaTiO3 (BT) dolgu maddesi olarak kullanılmış ve P(VDF-CTFE) %91 mol kopolimer (VC91) seramik-polimer kompozitlerin hazırlanmasında polimer matris olarak kullanılmıştır. BT nanofiller yüzeyini değiştirmek için, ticari olarak kullanılabilir 3-aminopropiltriethoxysilane (KH550) satın alındı ve bir kaplin ajan olarak kullanılır. Nanokompozit sistemin kritik miktarı bir dizi deney le belirlendi. Nano boyutlu kompozit sistemlerin enerji yoğunluğunu artırmak için kolay, düşük maliyetli ve yaygın olarak uygulanabilir bir yöntem gösterilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. BT dolgu maddeleri yüzey modifikasyonu

  1. 20 mL KH550 çözeltisi hazırlayın (%1 wt KH550 in 95 wt% 95 etanol-su çözücü) ve 15 dakika ultrasonicate.
  2. Bt nano tanecikleri tartmak (yani, dolgu) ve KH550, sırasıyla, böylece dolgu 1, 2, 3, 4, 5 wt ile kaplanabilir bağlantı ajanı. 1.057, 2.114, 3.171, 4.228 ve 5.285 mL KH550 çözeltisi 30 dk ultrasonication tarafından BT nano tanecikleri 1 g tedavi.
  3. 80 °C'de 5 saat, 120 °C'de 12 0 000'de bir vakum fırınında karışımdan gelen su-etanol çözücüsi buharlaştırın.
  4. BT-VC91 nanokompozitleri hazırlamak için yüzey modifiye dolgu maddeleri olarak kuru BT nano taneciklerini kullanın.

2. BT-VC91 nanokompozitlerin hazırlanması

  1. Homojen bir VC91-DMF çözeltisi elde etmek için oda sıcaklığında 10 mL N,N-dimethylformamid (DMF) halinde 0,3 g VC91 tozunu 8 saat boyunca manyetik karıştırarak çözün.
  2. Nanokompozitlerde 5, 10, 10, 15, 20, 25 ve %30'luk son BT yüzdesini elde etmek için VC91-DMF çözeltisinin 10 mL'sine 0,0542, 0,1145, 0,1819, 0,2578, 0,3437 ve 0,4419 g BT nano partikülleri ekleyin. Homojen bir BT-VC91-DMF süspansiyon oluşturmak için 12 saat ve ultrasonication için 30 dakika için manyetik karıştırarak BT nano tanecikleri karıştırın.
    NOT: Hem değiştirilmemiş BT hem de kaplin maddesi ile kaplanmış BT nano tanecikleri kullanılır.
  3. BT-VC91-DMF'yi önceden ısıtılmış 75 mm x 25 mm cam yüzeyinüzerine eşit olarak dökerek süspansiyonu atın (substrat başına 3 mL). DMF çözücünün buharlaşması için 70 °C'de süspansiyonlu cam yüzeyleri 70 °C'de saklayın ve kompozit filmler oluşturacak şekilde buharlaşın.
  4. Serbest duran BT-VC91 filmlerini elde etmek için keskin cımbızkullanarak cam yüzeylerin kompozitlerini bırakın. Anneal 12 saat havada 160 °C'de önceden ısıtılmış tozsuz kağıt üzerinde filmler.

3. Karakterizasyon ve ölçüm

  1. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanarak nanokompozitlerin morfolojisini ve tekdüzeliğini karakterize edin. Bunu yapmak için BT-VC91 numunelerini sıvı nitrojenle dondurun ve yaklaşık 5 mm x 30 μm (yani seramik-polimer arabirimi) boyutunda taze kesit göstermek için kırın. Daha sonra 3−5 nm kalınlığında altın bir tabaka ile kesitin bir tarafını katlayın ve bir SEM(Malzeme Tablosu)kullanarak kompozit yapı karakterize.
  2. Bir altın kaplama(Tablo Malzemeler),pozitif daire şekli, 3 mm çapında ve nanokompozit her iki tarafında ~ 50 nm kalınlığında empedans testi için elektrot oluşturmak için hazırlanan bir altın kaplama (Tablo Malzemeler) kullanarak.
  3. Nanokompozitlerin 100 Hz ile 1 MHz arasında bir frekans aralığındaki kapasitans ve dielektrik kaybını Cp-D fonksiyonu ile bir empedans analizörü(Malzeme Tablosu)kullanarak karakterize edin. Testte, kompozit filmin her iki tarafındaki altın katmanları iki fikstür direğine bağlayın.
  4. Paralel kondansatör modelini kullanarak empedans analizörü tarafından elde edilen kondansatörden nanokompozitlerin dielektrik sabitini (εr)hesaplay:

    εr = dCp/ε0A

    ε0 = 8,85 x 10-12, A altın elektrotların alanıdır, d numunenin kalınlığıdır ve Cp altın elektrotların empedans analizörü fikstürü ile bağlanmasıyla elde edilen paralel kapasitanstır.
  5. Nanokompozitlerin 10 kV'luk yüksek gerilim tedarikçisi(Tablo Malzemeler)kullanarak arıza gücünü karakterize edin. Uygulanan elektrik alanını her numunenin dökümü ne kadar eşit ve sürekli olarak artırın.
  6. Bir ferroelektrik test makinesi kullanarak nanokompozitlerin polarizasyon-elektrik (P-E) alan histeresis döngü karakterize. Elektrik alanını sürekli olarak artırırken her elektrik alanında P-E döngülerini kaydedin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Dolgu maddeleri farklı içeriği ile serbest duran nanokompozit filmler başarıyla protokolde açıklandığı gibi imal edildi ve xBT-VC91 olarak etiketlendi, x kompozitBT hacim yüzdesi nerede. KH550'nin (kaplin ajanının) bu BT-VC91 filmlerinin morfolojisi ve mikroyapısı üzerindeki etkisi SEM tarafından incelenmiş ve Şekil 1'degösterilmiştir. Şekil 1a ve Şekil 1b'de1 ve 5 wt kaplinli 30BT-VC91 nanokompozitlerin SEM görüntüleri gösterilmişt...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Yukarıda da belirtildiği gibi, bu çalışma ile geliştirilen yöntem seramik-polimer nanokompozitlerin enerji depolama performansını başarıyla artırabilir. Bu yöntemin etkisini optimize etmek için seramik yüzey modifikasyonunda kullanılan bağlantı maddesi miktarını kontrol etmek çok önemlidir. ~200 nm çapında seramik nano tanecikler için, kh550'nin %2 wt'sinin maksimum enerji yoğunluğuna yol açabileceği deneysel olarak belirlenmiştir. Diğer kompozit sistemlerde, çapı ~200 nm'ye yakın dolgu maddeleri benimsendiğinde bu sonuç...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

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

Bu çalışma, Shanxi Eyaleti'nin (20192006) doktora başlangıç kurumu olan Taiyuan Bilim ve Teknoloji Bilimsel Araştırma İlk Fonu (20182028) tarafından desteklenmiştir. İl (201703D111003), Shanxi Eyaleti Bilim ve Teknoloji Ana Projesi (MC2016-01) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenen U610256 Projesi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
3-Aminopropiltrietoksisilan (KH550)Sigma-Aldrich440140Sıvı, Deney: ağırlıkça% 99
95 etanol-suSigma-Aldrich459836Sıvı, Deney:% 99.5
BaTiO < sub <> 3 / sub> nanopartiküllerABD Araştırma NanomalzemeleriUS3830Yaklaşık 200 nm çapında
Ferroelektrik test cihazıRadiantPrecision-LC100
Cam yüzeylerCitoglas1639775 x 25 mm
Altın kaplayıcıPelcoSC-6
Yüksek gerilim tedarikçisiTrek610D10 kV
Empedans analizörüKeysight4294A
N, N dimetilformamidFisher ScientificGEN002007Sıvı
P(VDF-CTFE) 91/9 mol.% kopolimer
Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)JEOLJSM-7000F
Vakumlu fırınHeefei Kejing Malzeme Teknolojisi Co, LtdDZF-6020
%

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Polymer NanocompositesBarium TitanatePVDF CTFESolution CastingSurface ModificationEnergy StorageFilm CapacitorsUltra sonication

İlgili makaleler