ساختار جانشین در خواص دی الکتریک مشتقات پلی اتیلن

تاثیر ساختارهای جانشین بر خواص دی الکتریک مشتقات پلی اتیلن

در این مطالعه سیستماتیک تاثیر ساختارهای جانشین میکروسکوپی بر روی خواص دی الکتریک ماکروسکوپی پلی اتیلن (PE)، ده فرآورده شامل 18 درصد مول از گروه‌های عملکردی مختلف مانند هالوژن، آزید، نوربورن و ساختارهای ماکروسیکلیک با استفاده از واکنش‌های پس عامل‌دار کردن از پیش سازهای پلی (اتیلن کو-وینیل استات) مشابه سنتز شده است. استفاده از پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE) به عنوان یک مرجع، نتایج تجربی اثربخشی از مدولاسیون ثابت‌های دی الکتریک در فرآورده های پلی اتیلن با معرفی گروه های عامل مختلف ارائه می دهد. واحدهای پلی اتیلن در زنجیره مولکولی سازگاری عالی فرآورده های پلی اتیلن با LLDPE را به منظور تشکیل مخلوط های پلیمری همگن در حالت های مذاب تضمین می کنند. ترکیب با LLDPE به طور موثری اتلاف دی الکتریک فرآورده های PE را کاهش داده و ثابت دی الکتریک را بالاتر از LLDPE در فرکانس های زیر 10 هرتز نشان می دهد. همچنین این ترکیبات وابستگی شدیدتری به دما در ثابت دی الکتریک از خود نشان دادند که مقادیر بالاتر را در دماهای بالا نشان می دهد. مهمتر از همه، قدرت شکست دی الکتریک مخلوط ها به طور موثری تا 1.4 برابر نسبت به LLDPE افزایش یافت. علاوه براین، بهبود در خواص مکانیکی مخلوط نیز با کرنش-در-شکست بیش از 1000 درصد مشاهده شد. این تحقیق عامل‌دار کردن پس از پلیمریزاسیون را تایید کرده و یک پلت فرم عالی برای ارزیابی سیستماتیک تاثیر جایگزین بر پلیمرهای مصنوعی ارائه می دهد. همچنین انتظار می رود بینش جدیدی نیز از مکانیسم افزایش خواص دی الکتریک پلیمری ایجاد کند.

پلیمرهای دی الکتریک خواص الکتریکی را ازطریق قطبش درون زنجیره های مولکولی نشان می دهند که جابجایی نهایی چگالی ابر الکترونی دوقطبی است و منجر به تشکیل یک گشتاور دوقطبی خالص در مواجهه با میدان الکتریکی می شود. این پلیمرها بسیار مورد توجه هستند و به دلیل انعطاف پذیری بالا، چگالی کم و قابلیت پردازش مکرر در زمینه‌های مختلف ازجمله خازن های فیلم، ارتباطات الکترونیکی و ذخیره سازی انرژی کاربرد دارند. قطبش پذیری ماکرومولکول‌ها معمولا با استفاده از ثابت دی الکتریک (έ) قابل ارزیابی است؛ به طوری که نشان دهنده یک دوقطبی خالص گشتاور ماکرومولکولی است. به عنوان مثال، پلی (وینیلیدین فلوراید) (PVDF) حاوی پیوندهای C-F گشتاور دوقطبی بالا است که می‌تواند ثابت دی الکتریک را حدود 10.8-10 نشان داده و استفاده از کوپلیمرهای مناسب برای خازن‌ها، مواد پیزوالکتریک و فروالکتریک تایید کند. ازسوی دیگر، فیلم‌های پلی پروپیلن جهت‌دار دو محوره (BOPP) که هر دو نشان دهنده ثابت دی الکتریک و تلفات دی الکتریک کم هستند، به عنوان قطعات مدار الکترونیکی باهدف تامین قدرت میدان الکتریکی بالا و فرکانس‌های بالا به کار گرفته شده اند. رفتار پلاریزاسیون پلیمرهای دی الکتریک با ماهیت چندمقیاسی در پاسخ به یک فرایند حرکت/ سکون چند سطحی مشخص می شود. این فرایند قطبش الکترونیکی (جابجایی نسبی ابر الکترونی)، پلاریزاسیون اتمی (گشتاور دوقطبی القایی بین مراکز مثبت و بارهای منفی)، پلاریزاسیون یونی، قطبش دوقطبی (یا جهتی)، و قطبش سطحی در مرزهای فاز (یا مرزهای ماتریس-پرکننده) را در برمی‌گیرد. به عبارت دیگر، خواص دی الکتریک ماکروسکوپی پلیمرها و کامپوزیت‌های آنها از ریزساختارهای هماهنگ در مقیاس‌های مختلف ازجمله ساختار شیمیایی واحدهای تکرار شونده، ترکیب زنجیره مولکولی، شکل بلوری، جداسازی میکروفاز، پراکندگی پرکننده وغیره ناشی می شود. درطول چند دهه گذشته، مطالعات متعددی به بررسی روش‌های تنظیم خواص دی الکتریک مواد پلیمری پرداخته ‌اند. به طور کلی، افزایش ثابت دی الکتریک مواد پلیمری را می توان از سه رویکرد مهم به دست آورد: اصلاح ساختار ستون فقرات و جایگزین های پلیمری، تعدیل ریزساختارها با یک میدان خارجی، و پرکننده های معدنی. ازمیان این روش ها، طراحی سازه یک رویکرد اساسی است که هم ریزساختارها و هم تعامل بین ماتریس پلیمری و پرکننده‌های معدنی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

زو و همکارانش با موفقیت ثابت دی الکتریک پلی (متیل متاکریلات)، درحالی که مقدار کم اتلاف دی الکتریک را حفظ می‌کند، را از 3.3-4.0 تا 11.4 با افرایش گروه سولفون (-SO2-) با گشتاور دوقطبی بالا را افزایش دادند. علاوه براین، چگالی انرژی تخلیه این ماده سه برابر شد. افزودن کومونومر تری فلوئورواتیلن به زنجیره مولکولی پلی (وینیلیدین فلوراید) (PVDF) برای آماده سازی کوپلیمر تصادفی P(VDF-TrFE) افزایش ضریب پیزوالکتریک و ضریب کوپلینگ الکترومکانیکی را نشان داد. علاوه براین، افزایش بیشتری در ضریب پیزوالکتریک تا 1000 pm/V درP(VDF-TrFE-CEF-FA)  آماده شده حاوی ≤ 2 درصد مول کومونومر آلکین فلوئوردار (FA) نسبت به مواد اکسید شده سرامیکی مشاهده شد.

سخن پایانی

در این مطالعه، ده فرآورده پلی اتیلن (PE) با واکنش پس از عملکرد از پیش سازهای تجاری مشابه EVA (محتوای گروه عاملی 18 درصد مول) باهدف مقایسه اثرات ساختارهای گروه عامل بر ریزساختارها، خواص حرارتی و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار گرفته اند. همان طور که در فرآورده های پلی اتیلن PE-OPh و PE-OTol مشاهده شد، این رویکرد امکان بررسی اختلافات در ساختارهای شیمیایی و اثرات آنها بر خواص دی الکتریک را فراهم می کند. همچنین، شناسایی خواص دی الکتریک در پلیمرهای جدید حاوی گروه‌های عامل پیچیده را تسهیل می‌کند. نتایج تجربی حاصل از این مطالعه تاثیر قابل توجه ساختار گروه های عامل بر ثابت دی الکتریک فرآورده های پلی اتیلن را نشان می دهند. PE-Br و PE-I به ترتیب ثابت دی الکتریک و افزایش دو برابری LLDPE در فرکانس های پایین را نشان می دهند. PE-N3 حاوی گروه های عاملی آزید است که ثابت دی الکتریک آنها بیش از 3.0 محدوده فرکانس است درحالی که PE-Naph حاوی یک ساختار نفتالیمید با ثابت دی الکتریک پایین تقریبا مشابه با LLDPE است. مقایسه ساختار کریستالی و خواص حرارتی نشان می دهد که PE-I و PE-Naph دارای یک ساختار سلول واحد متفاوت از LLDPE هستند و Tm بالاترین در بین تمام نمونه ها است. استراتژی ما در این مطالعه شناسایی پتانسیل توسعه پلیمرهای دی الکتریک جدید با دمای ذوب بالا و ثابت دی الکتریک ازطریق مطالعه عمیق رابطه بین ریزساختار و خواص است. ترکیب PE-Br/LLDPE, PE-I/LLDPE و PE-OPh/LLDPE  با کسر 5.9 درصد وزنی نیز با موفقیت در اینجا آماده شد و ستون فقرات پلی اتیلن در زنجیره‌های مولکولی سازگاری خوب بین فرآورده های پلی اتیلن و ماتریس LLDPE را تضمین می کند. اتلاف دی الکتریک فرآورده‌های پلی اتیلن در LLDPE 1 تا 2 برابر کاهش می یابد درحالی که افزودن PE درمقایسه با LLDPE در فرکانس های زیر 10 هرتز، موجب افزایش ثابت دی الکتریک می شود. به ویژه اینکه این ترکیبات وابستگی دما-ثابت مشخص تری را در مقایسه با LLDPE که همزمان با افزایش دما ثابت دی الکتریک نیز افزایش می یابد، نشان می دهند. علاوه براین،PE-Br  وPE-OPh  افزایش εb ترکیبات را نشان داده است و میزان εb در PE-OPh/LLDPE  نیز 1.4 برابر ماتریس LLDPE است. فرآورده های پلی اتیلن در PE-Br, PE-I, PE-OPh  باعث تبلور ماتریس LLDPE می شوند؛ اگرچه در واحد سلولی دخالت ندارند. همچنین فرآورده های پلی اتیلن خواص مکانیکی مخلوط ها ازجمله مدول یانگ، استرس در زمان شکست و کرنش در شکست را افزایش می دهند. جالب اینکه PE-Br/LLDPE  وPE-OPh/LLDPE  رفتار شبه الستومری را با رسیدن به کرنش-در-شکست بیش از 1000 درصد از خود نشان می دهند. این نتایج نشان می دهد که افزودن مقدار کمی از فرآورده‌های پلی اتیلن می تواند به طور همزمان خواص دی الکتریک، خواص مکانیکی و دمای تبلور LLDPE تجاری را باهدف افزایش پتانسیل تولید در مقیاس بزرگ و ارزش اقتصادی تقویت کند.