[논문 리뷰] Preparation of Silver Nanoparticles Doped PVDF: Formation of Piezoelectric Polymorph

Dipankar Mandal, Sun Yoon외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 04.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 표준 용액 캐스팅 및 건조 조건에서도 은 나노입자(은 나노입자, Ag NPs)를 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)에 도핑함으로써 압전성 β-상 고분자 형태의 제어된 형성을 가능하게 한다. 핵심 메커니즘은 Ag NPs 표면 전하와 PVDF 내 CF2 극성 이량체 사이의 특정 상호작용으로, 이는 XRD와 DSC를 통해 확인되었으며, β-상의 융해 온도가 뚜렷이 20 °C 상승한 것으로 관찰되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 은 나노입자(은 나노입자, Ag NPs)를 핵형성제로 사용하여 PVDF의 결정 다형체를 제어하기 위해.
• Ag NPs가 PVDF 내 압전성 β-상의 안정화에 수행하는 역할을 조사하기 위해.
• Ag NPs와 PVDF 극성 이량체 사이의 특정 인터페이스 상호작용을 통해 β-상 형성의 메커니즘을 명확히 하기 위해.
• 이전 문헌에서 널리 퍼진 PVDF 다형체의 오인식별 문제를 해결하기 위해, 다형체 식별 기법을 검증하기 위해.
• 특히 융해 온도 이동을 통해 Ag NPs 도핑으로 인한 β-상의 열적 안정성 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• N,N-디메틸포름아미드(DMF)에서 AgNO3를 한 단계로 환원하여 Ag NPs 합성하고, 이와 동시에 PVDF의 용매로도 사용함.
• Ag NPs를 포함한 DMF 내 PVDF의 용액 캐스팅 후 용매 기화 및 열결정화를 통해 PVDF/Ag NPs 복합막 제조.
• X선 회절(XRD)을 사용하여 PVDF의 결정 다형체를 식별하고 정량화함. 특히 α, β, γ 다형체를 구분하는 데 중점을 두었음.
• 차량형 열량비열측정(DSC)을 활용하여 융해 전이를 측정하고, 특히 β-상 융해 온도 이동을 통해 다형체 안정성을 확인함.
• Ag NPs 표면 전하와 PVDF 내 CF2 극성 이량체 사이의 상호작용 메커니즘 분석을 통해 β-상 안정화를 설명함.
• 표준 기준 패턴을 사용한 다형체 식별 검증 및 이전 연구에서 흔히 발생하는 모호하거나 잘못된 다형체 할당을 배제함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 용액 캐스팅 조건에서 Ag NPs 첨가가 PVDF 내 압전성 β-상 형성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 Ag NPs와 PVDF 극성 이량체 사이의 인터페이스 상호작용의 성격은 무엇이며, 이는 β-상 핵형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 Ag NPs 도핑이 β-상의 열적 안정성에 얼마나 기여하는가? 융해 온도 이동을 통해 평가할 수 있는가?
• RQ4 왜 많은 이전 연구에서 PVDF 다형체의 잘못된 할당이 보고되었으며, 이를 어떻게 방지할 수 있는가?
• RQ5 Ag NPs는 복잡한 가공 없이도 효과적이고 비독성이며 가공 가능한 β-상 PVDF의 핵형성제로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 간단한 용액 캐스팅 및 건조 조건으로도 Ag NPs 첨가에 의해 PVDF 필름 내 압전성 β-상이 형성되었으며, 고압 또는 전기스핀닝 공정이 필요로 하지 않았다.
• Ag NPs 도핑 PVDF에서 β-상 융해 온도가 뚜렷이 20 °C 상승한 것으로 관찰되어 열적 안정성이 향상됨을 시사함.
• Ag NPs 농도가 증가할수록 β-상 분율도 증가하여, Ag NPs 농도가 다른 가공 조건과 관계없이 다형체 형성에 결정적인 영향을 미침을 입증함.
• Ag NPs 표면의 양전하와 PVDF 내 CF2 극성 이량체의 음극단 사이의 특정 상호작용이 β-상으로의 구조 재배열을 유도함.
• 이 연구는 PVDF에서 흔히 발생하는 다형체 식별 오류를 규명하고 수정하였으며, 신뢰할 수 있는 XRD 기준 패턴과 피크 분해 분석의 중요성을 강조함.
• PVDF는 Ag NPs의 응집을 방지하고 고분자 매트릭스 내 균일한 분산을 가능하게 하여 효과적인 안정제로 기능함을 발견함.