Transformación de fase polar inducida por rellenos derivados de residuos para polímeros fluorados de alto rendimiento

Área de la Ciencia:

• Ciencia de materiales
• Ciencia de polímeros
• Nanotecnología

Sus antecedentes:

• El polímero de vinilideno fluorado (PVDF) es un polímero versátil con un potencial significativo en aplicaciones dieléctricas y piezoeléctricas.
• El desarrollo de métodos eficientes para mejorar las propiedades electroactivas del PVDF es crucial para dispositivos de energía avanzados.
• El reciclaje de materiales derivados de residuos ofrece un enfoque sostenible para crear rellenos funcionales para compuestos poliméricos.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una estrategia escalable de fundición en solución para reciclar rellenos funcionales derivados de residuos en membranas híbridas de PVDF electroactivas.
• Investigar los efectos sinérgicos del óxido de zinc reciclado dopado con carbono (Rc-ZnO) y el óxido de grafeno (GO) en la estructura y propiedades del PVDF.
• Explorar el potencial de estas membranas híbridas para aplicaciones dieléctricas y piezoeléctricas.

Principales métodos:

• Síntesis de microsferas de ZnO reciclado dopado con carbono (Rc-ZnO) a partir de baterías de zinc-carbono gastadas.
• Fabricación de películas de PVDF/Rc-ZnO, PVDF/GO y PVDF/Rc-ZnO/GO ternarias mediante fundición en solución.
• Caracterización mediante difracción de rayos X (XRD), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y microscopía electrónica de barrido (SEM).
• Espectroscopía dieléctrica y cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT) (B3LYP/DGDZVP2) para analizar las propiedades eléctricas y la estructura electrónica.

Principales resultados:

• Los análisis estructurales confirmaron una transformación de fase α → β inducida por el relleno en PVDF, con sitios de defecto de GO actuando como centros de nucleación.
• El sistema de doble relleno aumentó significativamente las fracciones de fase β y promovió una morfología porosa más interconectada.
• La espectroscopía dieléctrica reveló efectos sinérgicos en el sistema ternario, lo que condujo a una mayor conductividad de CA con el aumento de la frecuencia y la temperatura.
• Los cálculos de DFT mostraron una reducción sustancial en la brecha de energía electrónica tras la hibridación interfacial, lo que respalda la mejora de la polarización interfacial y el transporte de carga.

Conclusiones:

• La estrategia escalable de fundición en solución desarrollada recicla eficazmente rellenos derivados de residuos (Rc-ZnO y GO) en membranas híbridas de PVDF electroactivas.
• La interacción sinérgica entre Rc-ZnO y GO mejora el contenido de fase β, la porosidad y las propiedades eléctricas del PVDF.
• Estas membranas híbridas muestran un rendimiento prometedor para aplicaciones dieléctricas y piezoeléctricas, ofreciendo una ruta sostenible para materiales funcionales avanzados.