[論文レビュー] Preparation of Silver Nanoparticles Doped PVDF: Formation of Piezoelectric Polymorph

Dipankar Mandal, Sun Yoon+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2011

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、銀ナノ粒子（Ag NPs）をポリビニリデンフラウオロイド（PVDF）にドーピングすることで、標準的な溶液キャストおよび乾燥条件下でも、圧電性β相の制御形成が可能であることを示している。主なメカニズムは、Ag NPsの表面電荷とPVDF内のCF2双極子の特異的相互作用であり、XRDおよびDSCにより確認され、β相の融解温度が顕著に20 °C上昇していることが観察された。

ABSTRACT

The preparation of polymorphism control of Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) by silver nanoparticles (Ag NPs) is investigated. The Ag NPs were prepared by simple one step process from AgNO3, where N,N-dimethylformamide(DMF) act as reducing agent as well the solvent of the host polymer, PVDF. It was observed that PVDF is one of the best stabilizers of Ag NPs. The thick films (10-20 μm) were prepared by simple solution casting followed by solvent drying and crystallizing PVDF polymorph. Here we observed that PVDF polymorph can be control by the content of the Ag NPs regardless of other processing conditions. The formation piezoelectric polymorph (β phase) by adequate amount of Ag NPs doping in PVDF was explained by the specific interaction between the surface charge of the Ag NPs and electric dipoles (CF2 dipoles) comprising in PVDF. In this work we also address the suitable technique for correct crystallographic phase identification in PVDF, as a large number of works in this field have already been misled. The significant higher temperature shift of melting temperature of β-phase was observed by Ag NPs doping, which has prime importance in diverse fields of electronic applications, i.e. IR-sensors, piezoelectric and pyroelectric sensor,transducers as well as actuators.

研究の動機と目的

• 銀ナノ粒子（Ag NPs）を核形成剤として用いて、PVDFの結晶多形を制御すること。
• Ag NPsがPVDFにおける圧電性β相の安定化に果たす役割を調査すること。
• Ag NPsとPVDF双極子の界面的特異的相互作用がβ相形成に与えるメカニズムを明確化すること。
• 先行研究におけるPVDF相の広範な誤特定問題を解決し、相同定技術の妥当性を検証すること。
• Ag NPsドーピングによるβ相の熱安定性向上、特に融点シフトを評価すること。

提案手法

• N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）を用いたAgNO3の1段階還元によりAg NPsの合成。DMFは同時にPVDFの溶媒としても機能する。
• PVDF/Ag NPs複合膜の調製は、Ag NPsを含むDMF中のPVDFの溶液キャスト、その後の溶媒蒸発および熱的結晶化を経て行う。
• X線回折（XRD）を用いてPVDFの結晶相を同定・定量し、特にα相、β相、γ相の区別に注目する。
• 差式走査量熱測定（DSC）を用いて融解遷移を測定し、特にβ相の融点シフトを確認して相の安定性を検証する。
• Ag NPs表面電荷とPVDF内CF2双極子の相互作用メカニズムを分析し、β相の安定化を説明する。
• 標準的参考パターンの使用と、先行研究で一般的に見られる曖昧または誤った相割り当ての排除により、相同定の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な溶液キャスト条件下でAg NPsの添加が、PVDFにおける圧電性β相形成にどのように影響するか？
• RQ2 Ag NPsとPVDF双極子の界面的相互作用の性質は、β相核形成を促進するものか？
• RQ3 Ag NPsドーピングは、融点シフトによって示されるように、β相の熱安定性をどの程度向上させるか？
• RQ4 なぜ多くの先行研究でPVDF多形研究において誤った相割り当てが報告されているのか、そしてこれを回避するにはどうすればよいか？
• RQ5 Ag NPsは、複雑なプロセシングを要せず、非毒性かつ効果的なβ相PVDFの核形成剤として機能できるか？

主な発見

• Ag NPsの添加により、高圧処理やエレクトロスプライニングを要せず、単純な溶液キャストおよび乾燥でPVDF膜に圧電性β相が形成可能である。
• Ag NPsドーピングPVDFでは、β相の融点が顕著に20 °C上昇しており、熱安定性の向上が示された。
• β相分率はAg NPs含有量に比例して増加し、処理条件にかかわらずAg NPs含有量が多形形成を制御することが明らかになった。
• Ag NPs表面の正に charged な性質とPVDF内CF2双極子の負極側との特異的相互作用が、β相へのコンformational再配列を駆動している。
• 本研究ではPVDFの相同定における一般的な誤りを特定・是正し、信頼できるXRD参考パターンの使用とピークデコンボリューションの重要性を強調した。
• Ag NPsの分散均一性を保つために、PVDFがAg NPsの凝集を防ぐ効果的安定化剤として機能することが判明した。