[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究证明，将银纳米粒子（Ag NPs）掺杂进聚偏氟乙烯（PVDF）中，可在标准溶液浇铸和干燥条件下实现压电β相多晶型的可控形成。其关键机制是Ag NPs表面电荷与PVDF中CF2偶极子之间的特异性相互作用，该作用稳定了β相，经XRD和DSC验证，β相的熔融温度显著提高了20 °C。

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.

研究动机与目标

• 通过银纳米粒子（Ag NPs）作为成核剂，控制PVDF的晶体多晶型。
• 研究Ag NPs在稳定PVDF中压电β相中的作用。
• 阐明Ag NPs与PVDF偶极子之间特定界面相互作用导致β相形成的机制。
• 通过验证相识别技术，解决以往文献中对PVDF相的广泛误判问题。
• 评估Ag NPs掺杂对β相热稳定性的影响，特别是熔融温度的偏移。

提出的方法

• 通过在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中一步还原AgNO3合成Ag NPs，DMF同时作为PVDF的溶剂。
• 通过在含Ag NPs的DMF中浇铸PVDF溶液，随后经溶剂蒸发和热结晶处理制备PVDF/Ag NPs复合薄膜。
• 采用X射线衍射（XRD）识别并量化PVDF的晶体相，重点区分α相、β相和γ相。
• 采用差示扫描量热法（DSC）测量熔融转变，确认相稳定性，特别是β相熔融温度的偏移。
• 分析Ag NPs表面电荷与PVDF中CF2偶极子之间的相互作用机制，以解释β相的稳定化。
• 通过标准参考图谱验证相识别，排除以往研究中常见的模糊或错误相分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准溶液浇铸条件下，Ag NPs的添加如何影响PVDF中压电β相的形成？
• RQ2 Ag NPs与PVDF偶极子之间的界面相互作用本质是什么，从而促进β相成核？
• RQ3 Ag NPs掺杂在多大程度上通过熔融温度偏移增强了β相的热稳定性？
• RQ4 为何许多先前的PVDF多晶型研究报道了错误的相分配？如何避免此类错误？
• RQ5 Ag NPs能否作为有效、无毒且可加工的β相PVDF成核剂，而无需复杂加工工艺？

主要发现

• Ag NPs的引入使得通过简单溶液浇铸和干燥制备的PVDF薄膜中可形成压电β相，无需高压或静电纺丝工艺。
• 在Ag NPs掺杂的PVDF中，β相的熔融温度显著提高了20 °C，表明其热稳定性增强。
• 随着Ag NPs浓度的增加，β相含量也随之提高，表明Ag NPs含量可控制多晶型的形成，与其它加工条件无关。
• Ag NPs表面正电荷与PVDF中CF2偶极子负端之间的特异性相互作用，驱动了链构象重排至β相。
• 本研究识别并纠正了PVDF相识别中的常见错误，强调使用可靠XRD参考图谱和峰解卷积的重要性。
• 发现PVDF对Ag NPs具有有效稳定作用，可防止其聚集，并实现在聚合物基体中的均匀分散。