יישום של סוכן צימוד כדי לשפר את המאפיינים דילטריים של Nanocomposites מבוסס פולימר

Summary

כאן, אנו מדגימים תהליך פשוט בעלות נמוכה של פתרון-הטלת פתרון כדי לשפר את התאימות בין המילוי לבין המטריצה של nanocomposites מבוססי פולימר באמצעות משטח שונה BaTiO 3 חומרי מילוי, אשר יכול לשפר ביעילות את_{צפיפות האנרגיה} של החומרים המרוכבים.

Abstract

בעבודה זו, שיטה קלה, בעלות נמוכה, וישימה נרחבת פותחה כדי לשפר את התאימות בין חומרי מילוי קרמיקה מטריצת פולימר על ידי הוספת 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) כסוכן צימוד במהלך תהליך הייצור של BaTiO₃-P(VDF-CTFE) nanocomposites באמצעות יציקת פתרון. התוצאות מראות כי השימוש KH550 יכול לשנות את פני השטח של nanofillers קרמיקה; לכן, wettability טוב על ממשק קרמיקה-פולימר הושגה, ואת ביצועי אחסון אנרגיה משופרת הושגו על ידי כמות מתאימה של סוכן צימוד. ניתן להשתמש בשיטה זו להכנת מרוכבים גמישים, דבר רצוי ביותר לייצור קבלי סרטים בעלי ביצועים גבוהים. אם כמות מוגזמת של סוכן צימוד משמש בתהליך, סוכן צימוד שאינו מצורף יכול להשתתף בתגובות מורכבות, מה שמוביל לירידה קבוע dielectric ועלייה באובדן דילטרי.

Introduction

דילקלריה המיושם בהתקני אחסון אנרגיה חשמלית מאופיינת בעיקר באמצעות שני פרמטרים חשובים: קבוע דיאלקטרי (ε_r)ואת כוח ההתמוטטות (E_b)^1,,2,,3. באופן כללי, חומרים אורגניים כגון פוליפרופילן (PP) מציגים E_{b גבוה} (~ 10² MV /m) ו ε_r נמוך (בעיקר <5)^{4,,5, 6,בעוד} חומרים אורגניים, במיוחד ferroelectrics כגון BaTiO₃, להפגין ε_{גבוה r} (10^{3-10 4)} ו E b_נמוך (~ 10⁰ MV / מ"ר)^6,,7,8. ביישומים מסוימים, גמישות ואת היכולת לעמוד השפעות מכניות גבוהות חשובים גם עבור זיוף קבלים דיילטריים⁴. לכן, חשוב לפתח שיטות להכנת מרוכבים דילטריים מבוססי פולימר, במיוחד לפיתוח שיטות בעלות נמוכה כדי ליצור ביצועים גבוהים 0-3 nanocomposites עם ε_{r גבוה} ו E_b^9,10,11,^{12,13,14,,15,16,17,18}. לשם כך, שיטות הכנה המבוססות על מטריצות פולימר פרואלקטריות כגון פולימר PVDF קוטבי וקופולימרים בקורלציה שלה מתקבלים באופן נרחב בשל שלהם ε_r גבוה (~ 10)^4,,19,20. ב nanocomposites אלה, חלקיקים עם e_{r גבוה}, במיוחד קרמיקה ferroelectric, שימשו באופן נרחב חומרי מילוי^{6,20,,21,,22,,23,,24,25}.^,

בעת פיתוח שיטות לייצור מרוכבים קרמיקה-פולימר, יהיה חשש כללי כי תכונות dielectric יכול להיות מושפע באופן משמעותי על ידי התפלגות חומרי מילוי²⁶. ההומוגניות של מרוכבים דיילקטיים נקבעת לא רק על ידי שיטות ההכנה, אלא גם על ידי הנווה בין המטריצה למילוי²⁷. הוכח על ידי מחקרים רבים כי אי אחידות של מרוכבים קרמיקה-פולימר ניתן לחסל על ידי תהליכים פיזיים כגון^{ספין ציפוי 28,,29} ו^{חם לחיצה 19,,26}. עם זאת, אף אחד משני תהליכים אלה לא משנה את חיבור פני השטח בין חומרי מילוי ומטריות; לכן, מרוכבים שהוכנו על ידי שיטות אלה עדיין מוגבלים בשיפור ε_{r ו-} E_b^19,27. בנוסף, מנקודת מבט ייצור, תהליכים לא נוחים אינם רצויים עבור יישומים רבים כי הם יכולים להוביל לתהליכי ייצור הרבה יותר^{מורכבים 28,29}. בהקשר זה, נדרשת שיטה פשוטה ויעילה.

כיום, השיטה היעילה ביותר כדי לשפר את התאימות של ננו-מבנים קרמיים פולימר מבוסס על הטיפול של חלקיקים קרמיים, אשר משנה את הכימיה פני השטח בין חומרי מילוי^{מטריצות 30,31}. מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי סוכני צימוד יכול להיות מצופה בקלות על חלקיקים קרמיים ולמעשה לשנות את הנוהר בין חומרי מילוי מטריצות מבלי להשפיע על^{תהליך הליהוק 32,33,34,35,36}. לשינוי פני השטח, מקובל כי עבור כל מערכת מורכבת, יש כמות מתאימה של סוכן צימוד, אשר מתאים לעלייה מקסימלית^{בצפיפות אחסון אנרגיה 37}; סוכן צימוד עודף במרוכבים עלול לגרום לירידה בביצועים^{של מוצרים 36,37,38}. עבור מרוכבים dielectric באמצעות חומרי מילוי קרמיקה בגודל ננו, הוא העריך כי היעילות של סוכן צימוד תלוי בעיקר על פני השטח של חומרי מילוי. עם זאת, הכמות הקריטית לשימוש בכל מערכת בגודל ננו עדיין לא נקבעה. בקיצור, נדרש מחקר נוסף כדי להשתמש בחומרי צימוד כדי לפתח תהליכים פשוטים לייצור ננו-מבנים קרמיים-פולימר.

בעבודה זו, BaTiO₃ (BT), החומר הפולרואלקטרי הנפוץ ביותר עם קבוע דיאלקטרי גבוה, שימש כמילויים, ו P(VDF-CTFE) 91/9 מול% קופולימר (VC91) שימש מטריצת פולימר להכנת מרוכבים קרמיקה-פולימר. כדי לשנות את פני השטח של nanofillers BT, זמין מסחרית 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) נרכשה ושמשה כסוכן צימוד. הכמות הקריטית של מערכת הננו-מוליטיס נקבעה באמצעות סדרת ניסויים. שיטה קלה, בעלות נמוכה וישימה באופן נרחב מדגימה כדי לשפר את צפיפות האנרגיה של מערכות מרוכבות בגודל ננו.

Protocol

1. שינוי פני השטח של חומרי מילוי BT

1. להכין 20 מ"ל של פתרון KH550 (1 wt% KH550 ב 95 wt% ממס אתנול-מים) ו ultrasonicate במשך 15 דקות.
2. שקול חלקיקי BT (כלומר, המילוי) ו KH550, בהתאמה, כך חומרי מילוי יכול להיות מצופה עם 1, 2, 3, 4, 5 wt% של סוכן צימוד. לטפל 1 גרם של חלקיקים BT ב 1.057, 2.114, 3.171, 4.228, ו 5.285 מ"ל של פתרון KH550 על ידי 30 דקות ultrasonication.
3. לאדות את ממס המים-אתנול מהתערובת ב 80 מעלות צלזיוס במשך 5 שעות ולאחר מכן ב 120 מעלות צלזיוס במשך 12 שעות בתנור ואקום.
4. השתמש חלקיקי BT יבש כמו פני השטח שונה חומרי מילוי כדי להכין BT-VC91 nanocomposites.

2. הכנת ננו-מבנים BT-VC91

1. להמיס 0.3 גר' של אבקות VC91 ב 10 מ"ל של N,N-dimethylformamide (DMF) בטמפרטורת החדר על ידי ערבוב מגנטי במשך 8 שעות כדי להשיג פתרון הומוגני VC91-DMF.
2. הוסף 0.0542, 0.1145, 0.1819, 0.2578, 0.3437, ו 0.4419 גרם של חלקיקים BT לתוך 10 מ"ל של VC91-DMF פתרון כדי לקבל אחוז BT הסופי של 5, 10, 15, 20, 25, ו 30 vol ב nanocomposites. לערבב חלקיקים BT על ידי ערבוב מגנטי עבור 12 שעות ו ultrasonication במשך 30 דקות כדי ליצור השעיה הומוגנית BT-VC91-DMF.
   הערה: נעשה שימוש הן חלקיקי BT שלא שנונו והן חלקיקי BT המצופים בצימוד.
3. הטל את ההשעיה על-ידי שפיכה שווה של ה-BT-VC91-DMF על 75 מ"מ על 25 מ"מ של זכוכית (3 מ"ל למצע). יש לשמור את מצע הזכוכית עם מתלים בתנור ב-70°C למשך 8 שעות כדי לאדות את ממס ה-DMF כדי ליצור סרטים מורכבים.
4. שחררו את המרוכבים מבצע זכוכית באמצעות פינצטה חדה כדי להשיג סרטי BT-VC91 העומדים בפניהם. נאל הסרטים על נייר ללא אבק מחומם מראש ב 160 מעלות צלזיוס באוויר במשך 12 שעות.

3. אפיון ומדידה

1. לאפיין את המורפולוגיה ואת האחידות של ננו-מבנים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM). כך, להקפיא דגימות BT-VC91 בחנקן נוזלי ולשבור כדי להראות חתך רוחב טרי עם גודל משוער של 5 מ"מ x 30 μm (כלומר, ממשק קרמיקה-פולימר). לאחר מכן לכסות צד אחד של חתך הרוחב עם שכבת זהב עם עובי של 3-5 נארם ולאפיין את המבנה מרוכב באמצעות SEM(טבלת חומרים).
2. באמצעות מעיל זהב(טבלת חומרים),פולט שכבות זהב עם צורת עיגול חיובית, קוטר של 3 מ"מ, ועובי של כ-50 ננומטר משני צידי הננו-מחשוב שהוכן ממדרגה 2 כדי ליצור את האלקטרודה לבדיקת מכשולים.
3. לאפיין את הקיבוליות ואת אובדן dielectric של nanocomposites על פני טווח תדרים מ 100 הרץ כדי 1 MHz באמצעות מנתח מכשול (טבלת חומרים) עם הפונקציה Cp-D. בבדיקה, חבר שכבות זהב משני צידי הסרט המורכב עם שני הקטבים של מתקן.
4. חשב את הקבוע דילקרטי (ε_r)של nanocomposites מהקבלות שהושגה על ידי מנתח מכשול באמצעות מודל קבל מקבילי:
   
   ε_r = dCp/ε₀A
   
   כאשר ε₀ = 8.85 x 10^-12, A הוא האזור של אלקטרודות זהב, d הוא עובי המדגם, ו Cp הוא קיבוליות מקבילה שהושגה על ידי חיבור אלקטרודות זהב עם מתקן של מנתח מכשול.
5. לאפיין את עוצמת הפירוק של nanocomposites באמצעות ספק מתח גבוה 10 kV(טבלת חומרים). הגדל את השדה החשמלי המיושם באופן שווה ורציף עד לפירוט של כל מדגם.
6. לאפיין את הקיטוב-חשמלי (P-E) שדה היסטרסיס לולאה של nanocomposites באמצעות בודק ferroelectric. הקלט את לולאות P-E בכל שדה חשמלי תוך הגדלת השדה החשמלי ללא הרף.

תוצאות

סרטי nanocomposite העומדים בפני עצמו עם תוכן שונה של חומרי מילוי היו מפוברקים בהצלחה כמתואר בפרוטוקול, ותייגו xBT-VC91, כאשר x הוא אחוז הנפח של BT במרוכבים. ההשפעה של KH550 (סוכן צימוד) על מורפולוגיה ומיקרו-מבנה של סרטי BT-VC91 אלה נחקרה על ידי SEM והוצגה בדמות 1. תמונות SEM של 30BT-VC91 ננו-מחשוב עם 1 ?...

Discussion

כפי שנדון לעיל, השיטה שפותחה על ידי עבודה זו יכול לשפר בהצלחה את ביצועי אחסון האנרגיה של ננו-מבנים קרמיים פולימר. כדי לייעל את ההשפעה של שיטה כזו, זה קריטי כדי לשלוט בכמות סוכן צימוד המשמש שינוי משטח קרמיקה. עבור חלקיקים קרמיקה בקוטר של ~ 200 ננומטר, נקבע באופן ניסיוני כי 2 wt% של KH550 יכול להוביל ?...

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