تطبيق عامل اقتران لتحسين خصائص عازلة من نانوكومبوسس القائم على البوليمر

Summary

هنا ، ونحن نبرهن على بسيطة ومنخفضة التكلفة حل الصب عملية لتحسين التوافق بين حشو ومصفوفة من nanocomposites البوليمر على أساس باستخدام سطح تعديل BaTiO₃ الحشو ، والتي يمكن أن تعزز بشكل فعال كثافة الطاقة من المركبات.

Abstract

في هذا العمل، تم تطوير طريقة سهلة ومنخفضة التكلفة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع لتحسين التوافق بين الحشو السيراميك ومصفوفة البوليمر بإضافة 3-aminopropyltthoxysilane (KH550) كعامل اقتران خلال عملية تصنيع شركة BaTiO₃-P (VDF-CTFE) نانوكومبوست من خلال صب الحل. وتبين النتائج أن استخدام KH550 يمكن أن تعدل سطح خزفيات السيراميك. لذلك ، تم تحقيق قابلية جيدة على واجهة السيراميك والبوليمر ، وتم الحصول على أداء تخزين الطاقة المعززة من قبل كمية مناسبة من وكيل اقتران. ويمكن استخدام هذه الطريقة لإعداد المركبات المرنة، وهو أمر مرغوب فيه للغاية لإنتاج مكثفات الأفلام عالية الأداء. إذا تم استخدام كمية زائدة من عامل اقتران في هذه العملية، وكيل اقتران غير المرفقة يمكن أن تشارك في ردود الفعل المعقدة، مما يؤدي إلى انخفاض في ثابت عازلة وزيادة في فقدان عازلة.

Introduction

وتتميز أساسا عازلة تطبيقها في أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام اثنين من المعايير الهامة: ثابت عازلة (ε_R)وقوة انهيار (E_ب)^1,2,3. بشكل عام، المواد العضوية مثل البولي بروبلين (PP) معرض E عالية _ب (~^{10 2 MV} /m)_{ومنخفضة} ε r (في الغالب < 5)^4،,5،,6 بينما المواد غير العضوية، خاصة ferroelectrics مثل BaTiO₃، معرض عالية ε_r (10³-10⁴⁾وE منخفضة _ب (~^{10 0 MV} / م)^6،7،8. في بعض التطبيقات، والمرونة والقدرة على تحمل الآثار الميكانيكية العالية هي أيضا مهمة لاصطناد المكثفات^{عازلة 4.} ولذلك، فمن المهم لتطوير أساليب لإعداد المركبات عازلة البوليمر القائم، وخاصة لتطوير أساليب منخفضة التكلفة لخلق عالية الأداء 0-3 nanocomposites مع ارتفاع ε_r وE_ب^{9،,10،,11،,12، 13،,13,14،,15،,16،,,18.17} لهذا الغرض، طرق إعداد على أساس مصفوفات البوليمرات الكهروئية مثل البوليمر القطبي PVDF و copolymers المرتبطة بها مقبولة على نطاق واسع نظرا لارتفاع ε_r (~10)^4،19،20. في هذه nanocomposites ، الجسيمات مع ارتفاع _{ه ص}، وخاصة السيراميك ferroelectric ، وقد استخدمت على نطاق واسع كما الحشو^{6،20،21،22،23،24،25.}

عند تطوير أساليب لتصنيع مركبات السيراميك والبوليمر، وهناك قلق عام أن خصائص عازلة يمكن أن تتأثر بشكل كبير من قبل توزيع الحشو²⁶. يتم تحديد تجانس المركبات عازلة ليس فقط من خلال أساليب التحضير، ولكن أيضا من قبل الرتمة بين المصفوفة وملء²⁷. وقد ثبت من قبل العديد من الدراسات أن عدم التوحيد من مركبات السيراميك البوليمر يمكن القضاء عليها من قبل العمليات الفيزيائية مثل تدور طلاء^28،29 والساخنة الضغط^19،26. ومع ذلك، لا يغير أي من هاتين العمليتين الاتصال السطحي بين الحشو والمصفوفات؛ ولذلك، فإن المركبات التي أعدتها هذه الأساليب لا تزال محدودة في تحسين ε_r وE_ب^19،27. بالإضافة إلى ذلك ، من وجهة نظر التصنيع ، والعمليات غير مريحة غير مرغوب فيها للعديد من التطبيقات لأنها يمكن أن تؤدي إلى عمليات التصنيع أكثر تعقيدا^{بكثير 28،29.} وفي هذا الصدد، هناك حاجة إلى طريقة بسيطة وفعالة.

حاليا، فإن الأسلوب الأكثر فعالية لتحسين التوافق من nanocomposites السيراميك البوليمر يقوم على معالجة جسيمات نانوية السيراميك، الذي يعدل كيمياء السطح بين الحشو والمصفوفات^30،31. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن عوامل اقتران يمكن أن تكون مغلفة بسهولة على جسيمات نانوية السيراميك وتعديل فعال للارتق بين الحشو والمصفوفات دون التأثير على عملية الصب^{32،33،34،35،36}. لتعديل السطح، فمن المقبول على نطاق واسع أن لكل نظام مركب، وهناك كمية مناسبة من وكيل اقتران، والذي يتوافق مع زيادة الحد الأقصى في كثافة تخزين الطاقة³⁷؛ قد يؤدي وكيل اقتران الزائدة في المركبات في انخفاض في أداء المنتجات^36,37,38. بالنسبة للمركبات العازلة باستخدام حشوات السيراميك بحجم النانو ، يتم التكهن بأن فعالية وكيل اقتران يعتمد بشكل رئيسي على مساحة السطح من الحشو. ومع ذلك، فإن الكمية الحرجة التي ستستخدم في كل نظام نانوي الحجم لم تحدد بعد. وباختصار، هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لاستخدام عوامل اقتران لتطوير عمليات بسيطة لتصنيع نانوكومبوسات السيراميك البوليمر.

في هذا العمل، استخدمت BaTiO₃ (BT)، المادة الحديدية الأكثر دراسة على نطاق واسع مع ثابت عازل عالية، كما الحشو، وP(VDF-CTFE) 91/9 mol٪ copolymer (VC91) واستخدمت مصفوفة البوليمر لإعداد مركبات السيراميك البوليمر. لتعديل سطح بريتيش تيليكوم nanofillers، تم شراؤها المتاحة تجاريا 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) واستخدامها كعامل اقتران. تم تحديد الكمية الحرجة من نظام النانو من خلال سلسلة من التجارب. طريقة سهلة ومنخفضة التكلفة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع هو موضح لتحسين كثافة الطاقة من أنظمة نانو الحجم المركبة.

Protocol

1. تعديل السطح من الحشو BT

1. إعداد 20 مل من الحل KH550 (1 wt٪ KH550 في 95 wt٪ المذيبات الإيثانول الماء) و ultrasonicate لمدة 15 دقيقة.
2. وزن جسيمات نانو BT (أي حشو) و KH550 على التوالي، بحيث يمكن أن تكون مغلفة الحشو مع 1، 2، 3، 4، 5 wt٪ من وكيل اقتران. علاج 1 غرام من جسيمات نانوية BT في 1.057، 2.114، 3.171، 4.228، و 5.285 مل من KH550 حل من قبل ultrasonication 30.
3. يتبخر مذيب الماء الإيثانول من الخليط عند 80 درجة مئوية لمدة 5 ساعات ثم عند 120 درجة مئوية لمدة 12 ساعة في فرن فراغي.
4. استخدام الجسيمات النانوية بريتيش تيليكوم الجافة كما الحشو السطح المعدلة لإعداد بريتيش تيليكوم VC91 نانوكومبوست.

2. إعداد بريتيش تيليكوم VC91 nanocomposites

1. حل 0.3 غرام من مساحيق VC91 في 10 مل من N، N-dimethylformamide (DMF) في درجة حرارة الغرفة عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 8 ح للحصول على حل VC91-DMF متجانسة.
2. إضافة 0.0542, 0.1145، 0.1819، 0.2578، 0.3437، و0.4419 غرام من جسيمات بريتيش تيليكوم النانوية إلى 10 مل من حل VC91-DMF للحصول على نسبة بريتيش تيليكوم النهائية من 5، 10، 15، 20، 25، و 30% في النيانوين. مزيج جسيمات نانو بريتيش تيليكوم عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة و ultrasonication لمدة 30 دقيقة لتشكيل متجانسة BT-VC91-DMF تعليق.
   ملاحظة: يتم استخدام كل من جسيمات بريتيش تيليكوم وبريتيش تيليكوم النانوية غير المعدلة المغلفة بعامل الاقتران.
3. يلقي تعليق عن طريق صب بالتساوي BT-VC91-DMF على الركيزة الزجاجية مسخن 75 مم × 25 ملم (3 مل لكل الركيزة). الحفاظ على ركائز الزجاج مع تعليق في الفرن في 70 درجة مئوية لمدة 8 ساعة لتبخر المذيب DMF لتشكيل الأفلام المركبة.
4. إطلاق المركبات من ركائز الزجاج باستخدام ملاقط حادة للحصول على الأفلام بريتيش تيليكوم VC91 القائمة بذاتها. آنال الأفلام على ورقة محمّاة بالغبار في 160 درجة مئوية في الهواء لمدة 12 ساعة.

3- التوصيف والقياس

1. وصف مورفولوجيا وتناسق نانومبوسات باستخدام المجهر الإلكتروني المسح (SEM). للقيام بذلك، تجميد عينات BT-VC91 في النيتروجين السائل وكسر لإظهار مقطع عرضية جديدة مع حجم تقريبي 5 مم × 30 ميكرومتر (أي، واجهة السيراميك البوليمر). ثم معطف جانب واحد من المقطع العرضي مع طبقة الذهب بسمك 3−5 نانومتر وتميز الهيكل المركب باستخدام SEM (جدول المواد).
2. باستخدام مغطي الذهب (جدول المواد) ، طبقات ذهبية مع شكل دائرة إيجابية ، قطرها 3 ملم ، وسمك 50 نانومتر ~ على جانبي نانوكومبوزيد أعدت من الخطوة 2 لتشكيل القطب لاختبار المعاوقة.
3. وصف السعة وفقدان التحلل من نانوكومبوسس على مدى تردد من 100 هرتز إلى 1 ميغاهيرتز باستخدام محلل المعاوقة(جدول المواد)مع وظيفة Cp-D. في الاختبار، وربط طبقات الذهب على جانبي الفيلم المركب مع قطبي لاعبا اساسيا.
4. حساب ثابت عازلة (ε_R)من نانوكومبوسس من السعة التي حصل عليها محلل المعاوقة باستخدام نموذج مكثف متوازي:
   
   ε_r = dCp/ε₀A
   
   حيث ε₀ = 8.85 × 10^-12، A هي منطقة أقطاب الذهب ، د هو سمك العينة ، وCp هو السعة الموازية التي تم الحصول عليها عن طريق ربط الأقطاب الذهبية مع لاعبا اساسيا من محلل المعاوقة.
5. وصف قوة انهيار nanocomposites باستخدام 10 كيلو فولت المورد الجهد العالي(جدول المواد). زيادة الحقل الكهربائي المطبق بشكل مستمر ومتعادل حتى انهيار كل عينة.
6. تميز حلقة استيراس الحقل (P-E) في مجال الاستقطاب الكهربائي من النانومترية باستخدام مُختبر إلكتريك الحديدية. تسجيل الحلقات P-E في كل مجال كهربائي مع زيادة مستمر في مجال الكهرباء.

النتائج

الأفلام النانوية القائمة بذاتها مع محتويات مختلفة من الحشو تم تصنيعها بنجاح كما هو موضح في البروتوكول ، ووصفت بأنها xBT -VC91 ، حيث x هي نسبة حجم بريتيش تيليكوم في المركبات. وقد درست تأثير KH550 (وكيل اقتران) على مورفولوجيا والهياكل الدقيقة لهذه الأفلام BT-VC91 من قبل SEM وعرضها في الشكل 1

Discussion

كما نوقش أعلاه ، فإن الطريقة التي وضعها هذا العمل يمكن أن تحسن بنجاح أداء تخزين الطاقة من السيراميك البوليمر nanocomposites. لتحسين تأثير هذه الطريقة ، من المهم التحكم في كمية عامل الاقتران المستخدم في تعديل سطح السيراميك. بالنسبة للجسيمات النانوية الخزفية التي يبلغ قطرها 200 نانومتر تقريبًا، تم ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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