Применение агента соединения для улучшения диэлектрических свойств полимерных нанокомпозитов

Резюме

Здесь мы демонстрируем простой и недорогой процесс литья решений для улучшения совместимости наполнителя и матрицы полимерных нанокомпозитов с использованием поверхностных модифицированных наполнителей BaTiO_3, которые могут эффективно повысить плотность энергии композитов.

Аннотация

В этой работе был разработан простой, недорогой и широко применимый метод для улучшения совместимости керамических наполнителей и полимерной матрицы путем добавления 3-аминопропилтриетоксисилана (KH550) в качестве сопутствуя агента во время процесса изготовления baTiO₃-P(VDF-CTFE) нанокомпозитов через литье раствора. Результаты показывают, что использование KH550 может изменить поверхность керамических нанофиллеров; таким образом, была достигнута хорошая пригодность на керамическо-полимерном интерфейсе, а улучшенные характеристики хранения энергии были получены подходящим количеством ас-агентов связи. Этот метод может быть использован для подготовки гибких композитов, что весьма желательно для производства высокую производительность конденсаторов пленки. Если в процессе используется чрезмерное количество ас-агентов связи, неприсое количество соединенных сцеплива может участвовать в сложных реакциях, что приводит к уменьшению диэлектрической константы и увеличению диэлектрических потерь.

Введение

Диэлектрики, применяемые в устройствах хранения электрической энергии, в основном характеризуются двумя важными параметрами: диэлектрической константой_(r)и прочностью поломки(E_b)^1,,2,,3. В целом, органические материалы, такие как полипропилен (PP) демонстрируют высокий E_b (10² МВ/м) и_низкий q r (в основном lt;5) 4 ,^5,6вто время как неорганические материалы, особенно ферроэлектрики, такие как BaTiO₃, демонстрируют высокий r (10³-10⁴) и низкий E_b (10⁰ MV/m)^6,7,8._r В некоторых приложениях гибкость и способность выдерживать высокие механические воздействия также важны для изготовления диэлектрических конденсаторов^4. Поэтому важно разработать методы подготовки полимерных диэлектрических композитов, особенно для разработки недорогих методов создания высокую производительность 0-3 нанокомпозитов с высоким q_r и E_b^{9,,10,,11,,12,,13,,14,,15,,16,,17,,18.} Для этого методы подготовки, основанные на ферроэлектрических полимерных матрицах, таких как полярный полимер PVDF и его коррелированные кополимеры широко принимаются из-за_их более высокого r (No 10)^4,19,20. В этих нанокомпозитах частицы с высоким e_r,особенно ферроэлектрической керамикой, широко используются^{в качестве наполнителей 6,,20,,21,,22,,23,,24,,25.}

При разработке методов производства керамическо-полимерных композитов существует общая обеспокоенность тем, что диэлектрические свойства могут существенно зависеть от распределения наполнителей^26. Однородность диэлектрических композитов определяется не только методами подготовки, но и наносимостью между матрицей и наполнителями^27. Было доказано многими^{исследованиями,}что не однородность керамическо-полимерных композитов может быть устранена физическими процессами, такими как^{спин-покрытие 28,29} и^{горячее нажатие 19,26}. Однако ни один из этих двух процессов не меняет поверхностную связь между наполнителями и матрицами; таким образом, композиты, подготовленные этими методами, по-прежнему ограничены в_{улучшении} r и E_b^19,27. Кроме того, с производственной точки зрения, неудобные процессы нежелательны для многих приложений, поскольку они могут привести к гораздо более сложным процессам изготовления^28,,29. В этой связи необходим простой и эффективный метод.

В настоящее время наиболее эффективным методом повышения совместимости керамическо-полимерных нанокомпозитов является обработка керамических наночастиц, которая изменяет химию поверхности между наполнителями и^{матрицами 30,,31.} Недавние исследования показали, что соединять агенты могут быть легко покрыты керамическими наночастицами и эффективно изменять wettability между наполнителями и матрицы, не^{влияя на процесс литья 32,33,34,35,36}. Для модификации поверхности широко признано, что для каждой композитной системы имеется подходящее количество ас-агентов связи, что соответствует максимальному увеличению плотности^{хранения энергии 37;} избыточное соединение агента в композитах может привести к снижению производительности^{продукции 36,,37,,38.} Для диэлектрических композитов с использованием наноразмерных керамических наполнителей, предполагается, что эффективность сопутственного агента в основном зависит от площади поверхности наполнителей. Однако критическое количество, используемое в каждой наноразмерной системе, еще предстоит определить. Короче говоря, необходимы дальнейшие исследования для использования агентов связи для разработки простых процессов для производства керамических полимерных нанокомпозитов.

В этой работе, BaTiO₃ (BT), наиболее широко изученный ферроэлектрический материал с высокой диэлектрической постоянной, был использован в качестве наполнителей, и P (VDF-CTFE) 91/9 мол% кополимер (VC91) был использован в качестве полимерной матрицы для подготовки керамическо-полимерных композитов. Для изменения поверхности нанофиллеров BT, коммерчески доступны 3-аминопропилтриетоксисилана (KH550) был приобретен и использован в качестве агента связи. Критическое количество нанокомпозитной системы было определено в ходе серии экспериментов. Простой, недорогой и широко применимый метод демонстрируется для улучшения плотности энергии наноразмерных композитных систем.

протокол

1. Поверхностная модификация наполнителей BT

1. Приготовьте 20 мл раствора KH550 (1 wt% KH550 в 95 wt% этанолово-водяного растворителя) и ультразвуковой в течение 15 мин.
2. Взвешивание наночастиц BT (т.е. наполнителя) и KH550, соответственно, так, что наполнители могут быть покрыты 1, 2, 3, 4, 5 wt% от соответствующего агента. Лечить 1 г наночастиц BT в 1.057, 2.114, 3.171, 4.228, и 5.285 мл раствора KH550 на 30 мин ультразвука.
3. Выпарить растворитель водяного этанола из смеси при температуре 80 градусов по Цельсию в течение 5 ч, а затем при температуре 120 градусов по Цельсию в течение 12 ч в вакуумной печи.
4. Используйте сухие наночастицы BT в качестве поверхностных модифицированных наполнителей для подготовки нанокомпозитов BT-VC91.

2. Подготовка нанокомпозитов BT-VC91

1. Растворите 0,3 г порошков VC91 в 10 мл N,N-диметилформамида (DMF) при комнатной температуре магнитным перемешиванием в течение 8 ч для получения однородного раствора VC91-DMF.
2. Добавить 0.0542, 0.1145, 0.1819, 0.2578, 0.3437, и 0.4419 g наночастиц BT в 10 мл решения VC91-DMF для получения окончательного процента BT 5, 10, 15, 20, 25 и 30 vol% в нанокомпозитах. Смешайте bt наночастицы магнитным перемешиванием в течение 12 ч и ультразвуком в течение 30 минут, чтобы сформировать однородную подвеску BT-VC91-DMF.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Используются как неизмененные наночастицы BT, так и BT, покрытые сопутическим агентом.
3. Бросьте подвеску равномерно, выливая BT-VC91-DMF на разогретый 75 мм х 25 мм стеклянный субстрат (3 мл на субстрат). Держите стеклянные субстраты с подвесками в духовке при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 8 ч, чтобы испарять растворитель DMF для формирования композитных пленок.
4. Выпустите композиты из стеклянных субстратов с помощью острых пинцетов для получения свободно стоящих пленок BT-VC91. Аннеал пленки на разогретой без пыли бумаге при 160 градусов по Цельсию в воздухе в течение 12 ч.

3. Характеристика и измерение

1. Характеризовать морфологию и единообразие нанокомпозитов с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Для этого заморозить образцы BT-VC91 в жидком азоте и сломать, чтобы показать свежий поперечный сечение с приблизительным размером 5 мм х 30 мкм (т.е. керамический полимерный интерфейс). Затем покрыть одну сторону поперечного сечения золотым слоем толщиной 3,5 нм и охарактеризовать композитную структуру с помощью SEM(Таблица материалов).
2. Использование золотого пальто(Таблица материалов), слои распыления золота с положительной формой круга, диаметром 3 мм и толщиной 50 нм по обе стороны от нанокомпозита, подготовленного из шага 2, чтобы сформировать электрод для тестирования на увеси.
3. Характеризируйте емкость и диэлектрические потери нанокомпозитов в частотном диапазоне от 100 Гц до 1 МГц с помощью анализатора импульса(Таблица материалов)с функцией Cp-D. При тестировании соедините золотые слои по обе стороны композитной пленки с двумя полюсами арматуры.
4. Рассчитайте диэлектрической константы_(r)нанокомпозитов из емкости, полученной анализатором импульсов с помощью параллельной конденсаторной модели:
   
   R_q dCp/q₀A
   
   где_{No 0 и} 8,85 х 10^-12, является областью золотых электродов, d является толщина образца, и Cp параллельной емкости, полученной путем подключения золотых электродов с приспособлением анализатора.
5. Характеризовать прочность разбивки нанокомпозитов с помощью поставщика высокого напряжения 10 кВ(таблица материалов). Увеличьте примененное электрическое поле равномерно и непрерывно до распада каждого образца.
6. Характеризовать поляризацию-электрический (P-E) поле hysteresis цикл нанокомпозитов с помощью ферроэлектрического тестера. Запись P-E петли на каждом электрическом поле при постоянном увеличении электрического поля.

Результаты

Свободно стоящие нанокомпозитные пленки с различным содержанием наполнителей были успешно изготовлены, как описано в протоколе, и были помечены как xBT-VC91, где x является процентом объема BT в композитах. Влияние KH550 (агент связи) на морфологию и микроструктуру этих фильмов BT-VC91 было изуче?...

Обсуждение

Как уже говорилось выше, метод, разработанный в рамках этой работы, может успешно улучшить производительность хранения энергии керамических полимерных нанокомпозитов. Для оптимизации эффекта такого метода крайне важно контролировать количество сотых веществ, используемых в модифик?...

Материалы

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