Revista de Ingeniería Eléctrica y Tecnología Electrónica

Nanostructure Controlled Polymer-Ceramic Composites with Improved Interface

Douglas B. Chrisey

Los nanocompuestos cerámicos poliméricos con una estructura de interfaz cuidadosamente diseñada pueden proporcionar una alta densidad energética (hasta 22 J/cm3 ⁾ necesaria para la próxima generación de condensadores dieléctricos para el almacenamiento de energía a gran escala. Hemos preparado una matriz de polímero de tiol-eno a partir de una mezcla de monómeros de tiol y alqueno utilizando un método a gran escala de curado fotónico. Los monómeros de pentaeritritoltetrakis (3-mercaptopropionato), 2,4,6 trialiloxi-1,3,5-triazina y 1,3-diisopropenilbenceno experimentan  reacciones de clic y se polimerizan utilizando un proceso mediado por radicales. Cuando se incorporan nanopartículas de titanato de bario diseñadas superficialmente (~100 nm) en la mezcla de monómeros, estas partículas también hacen clic con los monómeros para formar un material nanocompuesto.

Las nanopartículas de titanato de bario se diseñan superficialmente mediante un proceso de tres pasos: hidroxilación, silanización e injerto de monómero. Se utiliza un silano con extremos de alqueno (3-acriloxipropiltrimetoxisilano) para la silanización y se injertan monómeros de tiol a partir de los extremos de alqueno. Los radicales durante la preparación de nanocompuestos se forman mediante la activación de monómeros de tiol mediante pulsos intensos de luz de una lámpara de destellos de xenón, lo que elimina el requisito de fotoiniciador en el paso final. Además, la composición de los materiales en este trabajo está diseñada para que coincida con la relación estequiométrica de los extremos funcionales de tiol y alqueno. El enlace covalente formado en la interfaz y la dispersión mejorada resultante del efecto combinado del silano y el monómero injertado dan como resultado nanocompuestos con propiedades mejoradas. Los nanocompuestos resultantes muestran una densidad de energía tan alta como 22 J/cm3 ^incluso  con una carga baja de nanopartículas, mientras que la pérdida dieléctrica se mantiene por debajo de 0,2. Adaptar la estructura de la interfaz a nivel nanométrico para obtener las propiedades deseadas es una tarea difícil. Puede ser aún más desafiante cuando la adaptación debe realizarse en paralelo mientras se preparan nanocompuestos a gran escala utilizando un método rentable. El proceso de curado fotónico utilizado en este trabajo es un método rápido, de alto rendimiento y que se puede aplicar de rollo a rollo. Este estudio proporciona una ruta fácil hacia un método a escala industrial para la producción de nanocompuestos de alta densidad energética.