PROGETTO POLYCOM

Compositi polimerici ingegnerizzati ad alta densità di energia

Partecipanti:

CNR-ICMATE   , Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per l’Energia, Unità di Genova, Genova

CNR-ISMAC   , Istituto per lo Studio delle Macromolecole, Unità di Genova, Genova

Facoltà di Fisica   , Università “Alexader Ioan Cuza”, Iasi, Romania

Durata:

2 anni

ICMATE ISMAC Facoltà di Fisica - Università 'Alexader Ioan Cuza', Iasi, Romania
Fondazione Bancaria Compagnia di San Paolo, Torino

Descrizione sintetica

Negli ultimi anni vi è stata una domanda crescente di materiali ad alta costante dielettrica motivata dal continuo sviluppo dell’industria elettronica e dalla necessità di realizzare dispositivi più efficienti per lo stoccaggio dell’energia in forma elettrostatica. L’uso di materiali diversi combinati insieme in un composito costituisce un valido approccio per ottimizzare le proprietà dielettriche. In particolare l’aggiunta di nanoparticelle metalliche (argento) o ferroelettriche (titanato di bario, BaTiO3) con elevata costante dielettrica (≈1000) permette di aumentare significativamente la costante dielettrica del polimero (solitamente compresa tra 3 e 10) senza compromettere alcune delle proprietà più utili del materiale, quali la flessibilità e l’elevato campo di rottura dielettrica. Elevati valori della costante dielettrica e del campo di rottura dielettrica sono requisiti fondamentali per lo sviluppo di materiali idonei allo stoccaggio dell’energia con elevata densità.
Scopo dell’azione è il miglioramento delle proprietà dielettriche e della densità di energia di compositi polimerici tramite l’ingegnerizzazione delle interfacce polimero/fase inorganica e l’ottimizzazione della forma delle particelle al fine di ottenere una dispersione ottimale delle particelle ed una distribuzione efficace del campo elettrico nel composito. L’ingegnerizzazione delle interfacce prevede la modifica superficiale delle particelle tramite funzionalizzazione con opportune molecole organiche (coupling agents) e il rivestimento con un sottile strato di un ossido binario. Il biossido di titanio (TiO2), possiede le caratteristiche appropriate per essere utilizzato a tale scopo. Per la matrice del composito sono stati scelti polimeri fluorurati ferroelettrici con elevata costante dielettrica (≈10).

Attività principali:

  1. Sintesi delle particelle inorganiche (Ag e BaTiO3) e loro rivestimento con ossidi binari.
  2. Funzionalizzazione superficiale delle particelle con molecole organiche (coupling agents).
  3. Preparazione e caratterizzazione dei compositi.
  4. Misura delle proprietà dielettriche e della densità di energia su prototipi di capacitori.
  5. Modellazione agli elementi finiti della microstruttura e delle proprietà dielettriche dei compositi.
  6. Coordinamento delle attività, diffusione dei risultati e azioni atte a migliorare la visibilità di Compagnia San Paolo.

Obiettivi

  • Sviluppare metodologie chimiche per la sintesi, il rivestimento e la funzionalizzazione di particelle inorganiche.
  • Realizzare compositi dielettrici innovativi e semplici capacitori per dimostrare le prestazioni del materiale.
  • Migliorare la comprensione del ruolo delle interfacce, della morfologia delle particelle e più in generale della microstruttura del composito sulle proprietà dielettriche combinando la modellazione FEM e i dati sperimentali
  • Contribuire alla riduzione delle emissioni e ad un uso più sostenibile dell'energia.

Risultati principali

Sintesi, funzionalizzazione e rivestimento di particelle inorganiche

Sono state sviluppate metodologie chimiche per la sintesi, la funzionalizzazione ed il rivestimento delle particelle inorganiche sulla base delle informazioni reperite in letteratura e dell’esperienza specifica dei partner.
Le particelle di argento sono state prodotte tramite sintesi solvotermale in un reattore discontinuo utilizzando un diolo come solvente, polivinilpirrolidone (PVP) come additivo e nitrato di argento (AgNO3) come precursore. Le particelle hanno forma sferoidale ed il loro diametro può essere controllato nell’intervallo 30 – 700 nm variando le condizioni di reazione. La Fig. 1 mostra alcuni esempi della morfologia delle particelle ottenute.

Figura 1

Morfologia delle particelle di argento ottenute per sintesi solvotermale in diverse condizioni di reazione.

Le molecole di PVP aderiscono alla superficie delle particelle di argento nel corso della sintesi con formazione di sospensioni stabili.

Le particelle di titanato di bario (BaTiO3) sono state prodotte utilizzando come precursore una sospensione gelatinosa ottenuta per idrolisi rapida con NaOH di una soluzione mista di BaCl2 e TiOCl2. Il riscaldamento della sospensione, che può essere effettuato tramite un reattore discontinuo oppure tubolare, produce la cristallizzazione di particelle sferoidali di BaTiO3 il cui diametro può essere controllato variando la concentrazione di TiOCl2 nella soluzione iniziale. Le condizioni di sintesi sono state ottimizzate per ottenere particelle con un diametro medio di 100 nm, come quelle mostrate nella Fig. 2.

Figura 2

Morfologia delle particelle di BaTiO3 ottenute in un reattore tubolare (a sinistra) e batch (a destra). La dimensione media delle particelle è di circa 100 nm.

La funzionalizzazione delle particelle di BaTiO3 è stata effettuata con una opportuna molecola coupling agent (CA), usando metodi e solventi diversi. L’esistenza di molecole di CA legate alla superficie del solido è stata verificata usando la spettroscopia FTIR. La quantità di CA è stata determinata tramite analisi termogravimetrica. A seconda del metodo utilizzato, si può ottenere sia la funzionalizzazione con CA della superficie che la formazione di uno strato di polimero. La perdita in peso delle particelle funzionalizzate con metodi diversi è mostrata in Fig. 3. La formazione di uno strato di polimero è indicata da un valore molto più elevato della perdita in peso.

Figura 3

Perdita in peso in funzione della temperature delle particelle di BaTiO3 prima e dopo la funzionalizzazione con CA. BT: polvere tal quale. BT EtOH: polvere funzionalizzata usando alcool etilico come solvente. BT Toluene: polvere funzionalizzata usando toluene come solvente. BT ads: polvere rivestita con uno strato di polimero.

Il rivestimento di entrambi i tipi di inclusioni, Ag e BaTiO3, con TiO2 è stato effettuato sospendendo le particelle in una soluzione di un opportuno precursore solubile del titanio. Il riscaldamento della sospensione determina l’idrolisi del precursore con formazione di uno strato di TiO2 sulla superficie delle particelle. La morfologia delle particelle ottenute, BaTiO3@TiO2 e Ag@TiO2, è mostrata nella Fig. 4.

Figura 4

Morfologia di particelle Ag@TiO2 e BaTiO3@TiO2.

 

Modellazione agli elementi finiti

Le simulazioni FEM sono state effettuata su semplici microstrutture corrispondenti alla dispersione casuale di inclusioni sferiche con elevate costante dielettrica (k = 1000) in una matrice dielettrica (k = 10) per diversi valori della frazione in volume delle inclusioni. La distribuzione del campo elettrico e la costante dielettrica effettiva risultanti sono mostrate nella Fig. 5.

Figura 5

Microstruttura (a,b,c), distribuzione del campo elettrico (d,e,f) e costante dielettrica effettiva (g) di compositi corrispondenti a valori diversi della frazione in volume di inclusioni con k = 1000 in una matrice con k = 10.

Compositi polimerici ingegnerizzati ad alta densità di energia

Meetings

The primo meeting è previsto per il mese di Aprile 2017.

ICMATE ISMAC Facoltà di Fisica - Università 'Alexader Ioan Cuza', Iasi, Romania Fondazione Bancaria Compagnia di San Paolo, Torino

Contatti

Vincenzo Buscaglia, ICMATE-CNR

Paola Stagnaro, ISMAC-CNR