ES3033344T3 - Piezoelectric composites having coated piezoelectric fillers - Google Patents

Piezoelectric composites having coated piezoelectric fillers

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ES3033344T3
ES3033344T3 ES22718201T ES22718201T ES3033344T3 ES 3033344 T3 ES3033344 T3 ES 3033344T3 ES 22718201 T ES22718201 T ES 22718201T ES 22718201 T ES22718201 T ES 22718201T ES 3033344 T3 ES3033344 T3 ES 3033344T3
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filler particles
film
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Soma Guhathakurta
Theodorus Lambertus Hoeks
Tadhg Mahon
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SABIC Global Technologies BV
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Abstract

La invención se refiere a un compuesto piezoeléctrico que comprende (a) una matriz polimérica; y (b) una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico recubiertas, dispersas en la matriz polimérica. Además, cada una de estas partículas de relleno piezoeléctrico recubiertas comprende un material piezoeléctrico cuya superficie exterior está recubierta, al menos en parte, con un material polimérico que posee, al menos, un grupo funcional polar. La invención también se refiere a películas que contienen dichos compuestos piezoeléctricos y a métodos para su preparación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Compuestos piezoeléctricos que tienen cargas piezoeléctricas revestidas
Referencia cruzada a aplicaciones relacionadas
Ninguna.
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de los compuestos piezoeléctricos que tienen cargas piezoeléctricas revestidas de polímero y, en particular, a las películas que contienen dicho compuesto piezoeléctrico.
Antecedentes
Los elementos piezoeléctricos encuentran aplicación en una variedad de dispositivos electromecánicos, tales como resonadores, sensores, zumbadores, transductores, receptores ultrasónicos y generadores. Como resultado, en los últimos años ha habido un fuerte aumento en la demanda de dichos elementos piezoeléctricos y varios profesionales de la industria buscan mejorar el rendimiento de los elementos piezoeléctricos. Tradicionalmente, uno de los criterios para un material piezoeléctrico adecuado es tener un equilibrio de baja pérdida dieléctrica (indicada por (tan 8)) mientras se conserva un coeficiente de carga piezoeléctrica suficientemente alto (d33). Un material con un coeficiente de carga piezoeléctrica alto (d33) es indicativo de su excelente propiedad piezoeléctrica y significa el desarrollo de un potencial eléctrico adecuado cuando se aplica una tensión mecánica al material.
Por otro lado, la pérdida dieléctrica (indicada por (tan 8)) en los materiales piezoeléctricos, es indicativa de la pérdida de energía en forma de calor, cuando se utiliza un material piezoeléctrico en dispositivos electromecánicos. La pérdida dieléctrica provoca un calentamiento interno en los dispositivos electromecánicos, lo que afecta tanto a la eficiencia del rendimiento como a la durabilidad a largo plazo de dichos dispositivos electromecánicos. En otras palabras, minimizar la pérdida dieléctrica haría que el material piezoeléctrico fuera más eficiente en su rendimiento. Otra consideración más ha sido obtener materiales piezoeléctricos que tengan una baja constante dieléctrica o una baja permitividad relativa para ciertas aplicaciones. La permitividad relativa determina la capacidad de un material para polarizarse en respuesta a un campo eléctrico aplicado. Con frecuencia se prefiere tener un material cuya permitividad relativa sea baja para permitir que el material piezoeléctrico tenga una constante de voltaje piezoeléctrico alta (g) y hacer que dichos materiales tengan un rendimiento de detección mejorado.
Además, se ha observado en pocos casos que una alta permitividad relativa puede provocar un aumento de la pérdida dieléctrica, lo que afecta tanto a la eficiencia de salida como a la eficiencia de rendimiento de un dispositivo (por ejemplo, un actuador). Por lo tanto, para un material piezoeléctrico, un equilibrio adecuado entre el coeficiente de carga piezoeléctrica (d33), la permitividad relativa y la pérdida dieléctrica (tan 8) proporcionaría el rendimiento piezoeléctrico deseado adecuado para aplicaciones de detección.
Sin embargo, se ha informado en varias publicaciones de investigación que el rendimiento del material piezoeléctrico es particularmente susceptible a la fluctuación en un entorno de alta humedad, como se ha informado en varias publicaciones como (i) Hagh et. Al Property-processing relationship in lead-free (K, Na, Li) NbO, 3-solid solution system, J. Electroceramics. 18 (2007) 339-346,(ii)Y.H. Gu y otros, Degradación inducida por el agua en cerámicas sin plomo de TiO 3 (Bi 1/2Na 1/2), J. Electron. Mater. 38 (2009) 2207-2210. De hecho, los profesionales de la industria han observado que, en ciertos casos, los materiales piezoeléctricos, al exponerse a un ambiente de alta humedad, experimentan una mayor pérdida dieléctrica (tan 8), lo que a su vez afecta negativamente al rendimiento de un dispositivo electromecánico. Como se describe en la patente US5475278A, la exposición directa de un material piezoeléctrico a la humedad puede dañar un dispositivo, donde la humedad al contacto con el material piezoeléctrico puede inducir una descarga eléctrica o un cortocircuito injustificados. En el pasado, se han utilizado materiales piezoeléctricos funcionalizados en la superficie para proteger el material piezoeléctrico del contacto directo con la humedad. Sin embargo, estas soluciones técnicas han tenido un éxito limitado. La patente US2020/303621 A1 ilustra un compuesto piezoeléctrico polimérico que comprende una matriz polimérica formada a partir de uno o más de un monómero o un polímero precursor; y una dispersión in situ de un relleno cerámico piezoeléctrico y un aditivo iónico dentro de la matriz polimérica. La patente WO2020/201922 A1 se refiere a un compuesto piezoeléctrico sin plomo que incluye una matriz polimérica. La matriz polimérica (preferiblemente un copolímero a base de PVDF como el terpolímero PVDF-TrFE-CFE) se carga con más del l0 % en volumen de partículas piezoeléctricas sin plomo. La publicación en la Journal Ferroelectrics 2017, vol. 515, pág. 68-74, https://doi.org/10.1080/00150193.20l7.1360110 titulada “ Poling piezoelectric (K,Na,Li)NbO3-polydimethylsiloxane composites” de D.B. Deutz et al describe compuestos de partículas piezocerámicas alineadas de (K, Na, Li) NbO 3 (KNLN) en una matriz polimérica de PDMS.
Por lo tanto, por las razones anteriores, sigue existiendo la necesidad de desarrollar materiales piezoeléctricos que demuestren una pérdida dieléctrica baja (tan 8) incluso cuando dichos materiales piezoeléctricos están expuestos a condiciones húmedas o a un entorno de alta humedad. En particular, existe la necesidad de desarrollar materiales piezoeléctricos que demuestren un equilibrio deseado de baja pérdida dieléctrica (tan 5) y un coeficiente de carga piezoeléctrica adecuado (d<33>), incluso cuando dichos materiales están expuestos a un ambiente húmedo.
Breve resumen
La invención se refiere a un compuesto piezoeléctrico, que comprende: a) una matriz polimérica; y (b) una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas se dispersa en la matriz polimérica, y además en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un material piezoeléctrico que tiene al menos una parte de su superficie exterior revestida con un material polimérico que tiene al menos un grupo funcional polar.
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico comprende al menos un grupo funcional polar seleccionado entre el grupo hidroxilo, el grupo carboxilato, el grupo éster, el grupo ácido sulfónico, el grupo amida, el grupo siloxano, el grupo amino, el sulfhidrilo, el fosfato, el grupo éter, el grupo halógeno y un grupo nitrilo.
En algunas realizaciones de la invención, la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas está presente en una cantidad > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico.
En algunas realizaciones de la invención, el material piezoeléctrico se selecciona de hidroxiapatita, apatita, sulfato de litio monohidrato, titanato de bismuto sódico, cuarzo, ácido tartárico, poli(difluoruro de vinilideno), titanato de bario, niobato de sodio y potasio (KNaNb)O<3>(KNN), titanato de zirconato de plomo (PZT), titanato de niobio y plomo (PNT), titanato de niobio y escandio de plomo (PSNT), metaniobato de plomo, niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<i - t>Li<t>NbO<3>, en donde la variable 't' varía de mayor que 0,01 a menor que 1,0 (0,01 <t<1,00).
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS), polivinilpirrolidona (PVP), poliolefinas injertadas, polímeros de acrilato y metacrilato, polietilenglicol, polímeros de acetato de vinilo, policarbonato, polímeros de fluoruro de vinilideno (VDF), polímeros de ciano, poli (óxido de fenileno) o combinaciones de los mismos.
Preferiblemente, en algunas realizaciones de la invención, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS), polivinilpirrolidona (PVP), poliolefinas injertadas, polietilenglicol, polímeros de acetato de vinilo, polímeros de ciano o combinaciones de los mismos. Más preferiblemente, en algunas realizaciones de la invención, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS) o polivinilpirrolidona (PVP).
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico se selecciona de polivinilpirrolidona (PVP) o polidimetilsiloxano (PDMS) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<1-t>Li<t>NbO<3>, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06<( K n L n 6 ) .>
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico es polivinilpirrolidona (PVP) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<1-t>Li<t>NbO<3>, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6).
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico es polidimetilsiloxano (PDMS) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<1-t>Li<t>NbO<3>, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6).
Según la invención, la matriz polimérica y el revestimiento de material polimérico del material piezoeléctrico son de diferente composición polimérica.
En algunas realizaciones de la invención, la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre polímero de fluoruro de vinilideno (VDF), policaprolactona, polisiloxano, polidimetilsiloxano (PDMS), copolímeros de poliolefina, copolímeros de polisiloxano-policarbonato, copolímeros de acrilato y/o metacrilato, tereftalato de polietileno (PET), policarbonato (PC), tereftalato de polibutileno (PBT), poli (1,4-ciclohexilideno ciclohexano-1,4-dicarboxilato) (PCCD), policiclohexiltereftalato modificado con glicol (PCTG), poli (óxido de fenileno) (PPO), polipropileno (PP), polietileno (PE), polivinilo cloruro (PVC), poliestireno (PS), polietilenimina o polieterimida (PEI) y sus derivados, elastómero termoplástico (TPE), polímeros de ácido tereftálico (TPA), poli (tereftalato de ciclohexanodimetileno) (PCT), naftalato de polietileno (PEN), poliamida (PA), sulfonato de polisulfona (PSS), sulfonatos de polisulfonas, polieteretercetona (PEEK), acrilonitrilebutadienoestireno (ABS), polietercetona cetona (PEKK), sulfuro de polifenileno (PPS) o mezclas o combinaciones de los mismos.
Preferiblemente, la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre polímero de fluoruro de vinilideno (VDF), policaprolactona, copolímeros de poliolefina, copolímeros de polisiloxano-policarbonato, copolímeros de acrilato y/o metacrilato, tereftalato de polietileno (PET), policarbonato (PC), tereftalato de polibutileno (PBT), poli (1,4-ciclohexilideno), ciclohexano-1,4-dibutileno carboxilato) (PCCD), tereftalato de policiclohexilo modificado con glicol (PCTG), poli (óxido de fenileno) (PPO), polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno (PS), polietilenimina o polieterimida (PEI) y sus derivados, polímeros de ácido tereftálico (TPA), poli (tereftalato de ciclohexanodimetileno) (PCT), naftalato de polietileno (PEN), poliamida (PA), sulfonato de polisulfona (PSS), sulfonatos de polisulfonas, poliéter éter cetona (PEEK), acrilonitrilebutadieno estireno (ABS), poliéter cetona cetona (PEKK), sulfuro de polifenileno (PPS) o mezclas o combinaciones de los mismos.
Más preferiblemente, la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre el polímero de fluoruro de vinilideno (VDF).
En algunas realizaciones de la invención, la matriz polimérica es un polímero de fluoruro de vinilideno (VDF) seleccionado entre fluoruro de polivinilideno (PVDF), fluoruro de polivinilideno co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE), poli (fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP), polivinilideno fluoruro-co-tetrafluoroetileno (PVDF-TFe ), poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE), poli (fluoruro de vinilideno-cotrifluoroetileno-co-clorotrifluoroetileno) (PVDF-TfFE-CTFE) o combinaciones de los mismos. Preferiblemente, en algunas realizaciones de la invención, la matriz polimérica es un polímero de fluoruro de vinilideno (VDF) seleccionado entre poli (fluoruro de vinilideno co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFe-CFE) o fluoruro de polivinilidenoco-trifluoroetileno (PVDF-TrFE).
En algunas realizaciones de la invención, el compuesto piezoeléctrico comprende:
a. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 30,0 % en volumen y < 55,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la matriz polimérica en donde la matriz polimérica comprende un polímero seleccionado entre poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) o fluoruro de polivinilideno- co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE); y
b. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 30,0 % en volumen y < 55,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas dispersas en la matriz de polímero, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un material piezoeléctrico que comprende niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)i-tLitNbO3 en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6) y en donde cada uno de los materiales piezoeléctricos está recubierto con un material polimérico seleccionado entre polivinilpirrolidona (PVP) o polidimetilsiloxano (PDMS).
En un aspecto preferido de la invención, la invención se refiere a una película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención. En otro aspecto más de la presente invención, la invención se refiere a un artículo de fabricación que comprende una película, en donde la película comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención.
En algunas realizaciones de la invención, la invención se refiere al uso de la película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención, para mejorar la propiedad piezoeléctrica del artículo de fabricación. Ejemplos no limitativos de propiedad piezoeléctrica incluyen el coeficiente de carga piezoeléctrica (d33), la permitividad relativa y la pérdida dieléctrica (tan 8).
En algunos aspectos de la invención, la invención se refiere a un método para preparar una película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención, en donde el método comprende:
a. disolver un polímero en un disolvente orgánico y formar una solución polimérica;
b. añadir una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas a la solución polimérica y formar una solución compuesta piezoeléctrica precursora;
c. moldear la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato y formar una película precursora; y
d. someter la película precursora a un tratamiento de polarización eléctrica y formar la película.
En algunas realizaciones de la invención, la película precursora comprende el compuesto piezoeléctrico. En algunos aspectos de la invención, la película precursora comprende > 99,0 % en peso, preferiblemente > 99,5 % en peso, preferiblemente 100,0 % en peso, del compuesto piezoeléctrico, con respecto al peso total de la película precursora.
En algunas realizaciones de la invención, el tratamiento de polarización eléctrica se lleva a cabo a un campo eléctrico > 5 kV/mm y < 100 kV/mm durante un período de tiempo > 1 minuto y < 120 minutos y a una temperatura > 50 °C y < 120 °C, preferiblemente a una temperatura > 60 °C y < 110 °C.
En algunas realizaciones de la invención, la invención se refiere a una película que comprende el compuesto piezoeléctrico, en donde la película se obtiene mediante un método que comprende:
a. disolver un polímero en un disolvente orgánico y formar una solución polimérica;
b. añadir una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas a la solución polimérica y formar una solución compuesta piezoeléctrica precursora;
c. moldear la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato y formar una película precursora; y
d. someter la película precursora a un tratamiento de polarización eléctrica y formar la película.
Otros objetos, características y ventajas de la presente invención se harán evidentes a partir de las siguientes figuras, descripción detallada y ejemplos. Sin embargo, debe entenderse que las figuras, la descripción detallada y los ejemplos, si bien indican realizaciones específicas de la invención, se proporcionan únicamente a modo de ilustración y no pretenden ser limitativos. En otras realizaciones, las características de realizaciones específicas se pueden combinar con características de otras realizaciones. Por ejemplo, las características de una realización pueden combinarse con las características de cualquiera de las otras realizaciones. En otras realizaciones, se pueden añadir características adicionales a las realizaciones específicas descritas en la presente memoria.
Breve descripción de los dibujos
Para una comprensión más completa, se hace referencia ahora a las siguientes descripciones tomadas junto con los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 (a) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una sección transversal de la película precursora que contiene partículas de relleno piezoeléctricas no revestidas (KNLN3) dispersas en una matriz polimérica de poli(fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE).
La figura 1 (b) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una sección transversal de la película precursora que contiene partículas de relleno piezoeléctrico revestidas con polivinilpirrolidona (PVP) (KNLN3) partículas de relleno piezoeléctrico dispersas en una matriz polimérica de poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetilenoco-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) y según el ejemplo 2.
La figura 2 (a) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una sección transversal de la película precursora que contiene partículas de relleno piezoeléctrico funcionalizadas con 3-aminopropilmetildietoxisilano (ADS) (KNLN3) dispersas en una matriz polimérica de poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) según el ejemplo 4.
La figura 2 (b) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una sección transversal de la película precursora que contiene partículas de relleno piezoeléctrico funcionalizadas con (3-mercaptopropil) metildimetoxisilano (MPMDS) (KNLN3) dispersas en una matriz polimérica de poli (fluoruro de vinilideno-cotrifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) y según el Ejemplo 5.
La figura 3 es un espectrógrafo infrarrojo transformado de Fourier (FT-IR) que indica la señal del espectrógrafo para 1) polvo de KNLN3 sin revestimiento, 2) del revestimiento de PVP aislado y 3) del polvo de KNLN3 después de revestirse con PVP.
La figura 4 (a) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una partícula de relleno piezoeléctrico no revestida KNLN3.
La figura 4 (b) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una partícula de relleno piezoeléctrico KNLN3 revestida con poli (dimetilsiloxano) (PDMS).
La figura 4 (c) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una sección transversal de la película precursora que comprende partículas de relleno piezoeléctrico KNLN3 sin revestir dispersas en una matriz polimérica de fluoruro de polivinilideno y trifluoroetileno (PVDF-TrFE).
La figura 4 (d) es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una sección transversal de la película precursora que comprende partículas de relleno piezoeléctrico KNLN3 revestidas con poli (dimetilsiloxano) (PDMS) dispersas en una matriz polimérica de fluoruro de polivinilideno y trifluoroetileno (PVDF-TrFE) y según el ejemplo 3.
Descripción detallada
Una solución a algunos o todos los inconvenientes de la técnica existente reside en un compuesto piezoeléctrico tal como se describe en esta descripción. Por consiguiente, la invención se basa, en parte, en un compuesto piezoeléctrico que comprende una matriz polimérica que contiene una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas con polímero dispersas en la matriz polimérica.
Ventajosamente, el compuesto piezoeléctrico o una película que comprende dicho compuesto, demuestra una propiedad piezoeléctrica adecuada que tiene una pérdida dieléctrica baja (tan 8) mientras conserva un coeficiente de carga piezoeléctrica adecuado (d33). En particular, la invención permite ahora a un experto en la técnica fabricar dispositivos o artículos de fabricación que comprenden una película de este tipo, que demuestran un rendimiento piezoeléctrico excelente incluso cuando se utilizan dichos dispositivos o artículos en condiciones húmedas.
Lo siguiente incluye definiciones de varios términos y frases utilizados a lo largo de esta memoria descriptiva.
Los términos “ % en peso” , “ % en volumen” o “ % en moles” se refieren a un peso, volumen o porcentaje molar de un componente, respectivamente, con respecto al peso total, el volumen total o los moles totales de material que incluye el componente. Cualquier rango numérico utilizado a lo largo de esta descripción incluirá todos los valores e intervalos intermedios, a menos que se especifique lo contrario. Por ejemplo, un intervalo de punto de ebullición de 50 °C a 100 °C incluye todas las temperaturas e intervalos entre 50 °C y 100 °C, incluida la temperatura de 50 °C y 100 °C.
El uso de las palabras “ un” o “ una” cuando se utilizan junto con la expresión “ que comprende” , “ que incluye” , “ que contiene” o “ que tiene” en las reivindicaciones o la memoria descriptiva puede significar “ uno” , pero también es coherente con el significado de “ uno o más” , “ al menos uno” y “ uno o más de uno” . Las expresiones “ que comprende” (y cualquier forma de la misma, tal como “ comprender” y “ comprende” ), “ que tiene” (y cualquier forma de la misma, tal como “ tener” y “ tiene” ), “ que incluye” (y cualquier forma de la misma, tal como “ incluye” e “ incluir” ) o “ que contiene” (y cualquier forma de la misma, tal como “ contiene” y “ contener” ) son inclusivas o abiertas y no excluyen, elementos o etapas del método adicionales, no enumerados. El proceso de la presente invención puede “ comprender” , “ consistir esencialmente en” o “ consistir en” ingredientes, componentes, composiciones, etc. particulares, descritos a lo largo de la descripción.
La presente descripción describe un compuesto piezoeléctrico, que demuestra una baja pérdida dieléctrica incluso cuando dicho compuesto piezoeléctrico está expuesto a un ambiente húmedo o de alta humedad. Es deseable que el compuesto piezoeléctrico retenga un coeficiente de carga piezoeléctrica adecuado (d33) incluso cuando se expone a un entorno de alta humedad.
En algunos aspectos de la invención, la invención se refiere a un compuesto piezoeléctrico, que comprende: a) una matriz polimérica; y (b) una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas está dispersa en la matriz polimérica, y además en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un grupo funcional que tiene al menos un grupo funcional polar.
La expresión “ pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas” , tal como se utiliza a lo largo de esta descripción, significa 2 o más, preferiblemente 5 o más, preferiblemente 10 o más, preferiblemente 50 o más, 100 o más, preferiblemente 500 o más, preferiblemente 1000 o más, preferiblemente 10000 o más de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas que están dispersas por toda la matriz polimérica.
La expresión “ partículas de relleno piezoeléctricas revestidas comprenden un material piezoeléctrico que tiene al menos una parte de su superficie exterior revestida con un material polimérico” significa que cada una de las partículas de relleno piezoeléctrico está revestida parcial o completamente con un material polimérico o un agregado de uno o más materiales de relleno piezoeléctrico está revestido parcial o completamente con un material polimérico. En algunas realizaciones preferidas de la invención, la partícula de carga piezoeléctrica está completamente revestida por un material polimérico de tal modo que la partícula está encapsulada por el material polimérico. En algunas realizaciones preferidas de la invención, las partículas de relleno piezoeléctricas se revisten con el material polimérico antes de dispersar las partículas de relleno piezoeléctricas revestidas en la matriz polimérica.
Un compuesto piezoeléctrico que tiene una partícula de relleno revestida puede distinguirse visualmente, por ejemplo, de un compuesto piezoeléctrico que tiene un relleno no revestido evaluando la porosidad de la superficie de un compuesto piezoeléctrico mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Por ejemplo, un compuesto piezoeléctrico que tiene partículas de KNLN3 no revestidas puede distinguirse de un compuesto piezoeléctrico que tiene partículas de KNLN3 revestidas con PDMS, evaluando las imágenes de SEM de la figura 4 (c) y la figura 4 (d).
De manera similar, a partir de las imágenes de SEM de la figura 1 (a) y la figura 1 (b), un experto en la técnica puede determinar la distinción entre compuestos piezoeléctricos que tienen materiales de relleno revestidos y no recubiertos, donde la imagen de SEM de la película precursora/compuesto piezoeléctrico de la figura 1 (b) indica una porosidad superficial reducida en comparación con la película precursora/compuesto piezoeléctrico ilustrado en la figura 1 (a).
Además, una partícula de relleno revestida puede distinguirse de una partícula de relleno no revestida utilizando una imagen SEM (por ejemplo, la figura 4 (a) y la figura 4 (b)), lo que permite a un experto en la técnica distinguir claramente entre una partícula de relleno revestida y una partícula de relleno no revestida. Además de los resultados proporcionados en el Ejemplo 2 y el Ejemplo 3 de esta descripción, la menor pérdida dieléctrica y el mejor rendimiento piezoeléctrico de las películas que contienen materiales compuestos que tienen partículas de relleno revestidas se evidencian claramente en comparación con las de las películas que tienen materiales compuestos con partículas de relleno no revestidas.
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico comprende al menos un grupo funcional polar seleccionado entre el grupo hidroxilo, el grupo carboxilato, el grupo éster, el grupo ácido sulfónico, el grupo amida, el grupo siloxano, el grupo amino, el sulfhidrilo, el fosfato, el grupo éter, el grupo halógeno y el grupo nitrilo. En algunas realizaciones de la invención, el grupo funcional amida, por ejemplo, puede ser una amida cíclica con un grupo que tiene -(C=O)-N- que forma parte de un anillo cíclico como el presente en la polivinilpirrolidona (PVP). Sin pretender ceñirse a ninguna teoría específica, la presencia de un grupo funcional polar ayuda a la adhesión del material polimérico sobre la superficie del material piezoeléctrico. En algunos aspectos preferidos de la invención, el material polimérico comprende (i) una parte hidrófila que permite la adhesión al material piezoeléctrico, y (ii) una parte hidrófoba que sirve como revestimiento de barrera contra la humedad.
En algunas realizaciones de la invención, la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas está presente en una cantidad > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, alternativamente > 30 % en volumen y < 60 % en volumen, alternativamente > 45 % en volumen y < 55 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico. En algunas realizaciones preferidas de la invención, la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas está presente en una cantidad del 50 % en volumen con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico.
En algunas realizaciones de la invención, el material piezoeléctrico se selecciona de hidroxiapatita, apatita, sulfato de litio monohidrato, titanato de bismuto sódico, cuarzo, ácido tartárico, poli(difluoruro de vinilideno), titanato de bario, niobato de sodio y potasio (KNaNb)O<3>(KNN), titanato de zirconato de plomo (PZT), titanato de niobio y plomo (PNT), titanato de niobio y escandio de plomo (PSNT), metaniobato de plomo, niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<i - t>Li<t>NbO<3>, en donde la variable 't' varía de mayor que 0,01 a menor que 1,0 (0,01 <t<1,00), alternativamente mayor que 0,02 a menos que 0,09.
En algunas realizaciones preferidas de la invención, el material piezoeléctrico se selecciona entre hidroxiapatita, apatita, sulfato de litio monohidrato, titanato de bismuto sódico, cuarzo, ácido tartárico, poli(difluoruro de vinilideno), titanato de bario, niobato de sodio y potasio (KNaNb)O<3>(KNN), niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<1-t>Li<t>NbO<3>, en donde la variable 't' varía de mayor que 0,01 a menor que 1,0 (0,01<t<1,00), alternativamente mayor que 0,02 a menor que 0,09.
En algunos aspectos de la invención, el material piezoeléctrico tiene un tamaño y una morfología adecuados para la aplicación piezoeléctrica y se puede preparar, por ejemplo, mediante un proceso de calcinación en dos etapas. Por ejemplo, las etapas para preparar el material piezoeléctrico incluyen obtener un producto precursor después de una primera etapa de calcinación que implica la calcinación de una mezcla estequiométrica de sales de metales precursores tales como sales de metales de carbonato o una mezcla de compuestos de óxido.
La primera etapa de calcinación implica calcinación a una temperatura > 925 °C, preferiblemente > 1000 °C y < 1500 °C. La primera etapa de calcinación se puede llevar a cabo durante al menos dos horas, alternativamente durante al menos tres horas a una velocidad de calentamiento de 5 °C min<-1>para obtener el producto precursor. En algunas realizaciones de la invención, el producto precursor es un producto cerámico. El producto precursor se muele posteriormente utilizando un mortero o a mano, para formar un polvo. El polvo así obtenido puede someterse a una segunda etapa de calcinación realizada a una temperatura inferior a la primera etapa de calcinación, por ejemplo a una temperatura < 1000 °C. La segunda etapa de calcinación puede llevarse a cabo durante al menos nueve horas, preferiblemente al menos diez horas a una velocidad de calentamiento de 1 °C min<-1>. Las sales metálicas precursoras pueden ser carbonato de sodio o carbonato de potasio o carbonato de litio, mientras que los óxidos metálicos pueden ser, por ejemplo, óxido de niobio.
Las partículas de relleno piezoeléctricas revestidas se pueden preparar siguiendo el procedimiento general: (a) proporcionar una solución de revestimiento que comprende un polímero solubilizado o el monómero correspondiente disuelto en un disolvente; (b) dispersar una o más partículas piezoeléctricas que contienen el material piezoeléctrico en la solución de revestimiento y formar una solución precursora de revestimiento; (c) eliminar el disolvente de la solución precursora del revestimiento en condiciones adecuadas para revestir la una o más partículas piezoeléctricas con el polímero y formar la partícula de relleno piezoeléctrica revestida. En algunos aspectos de la invención, las condiciones adecuadas para el revestimiento incluyen condiciones de polimerización del monómero para formar un revestimiento alrededor de la partícula piezoeléctrica.
En algunos aspectos de la invención, el disolvente se puede eliminar utilizando una evaporación a baja presión en un evaporador rotatorio. Se cree que al eliminar el disolvente de este modo se asegura un contacto íntimo entre la partícula piezoeléctrica y el polímero. La selección del disolvente dependería en gran medida de la solubilidad del polímero. Por ejemplo, cuando se utiliza polivinilpirrolidona (PVP) como polímero de revestimiento, el disolvente utilizado puede ser agua. Por otro lado, cuando se utiliza polidimetilsiloxano (PDMS) como polímero de revestimiento, el disolvente es ciclohexano.
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS), polivinilpirrolidona (PVP), poliolefinas injertadas, polímeros de acrilato y metacrilato, polietilenglicol, polímeros de acetato de vinilo, policarbonato, polímeros de fluoruro de vinilideno (VDF), polímeros de ciano, poli (óxido de fenileno) o combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones preferidas de la invención, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS) o polivinilpirrolidona (PVP).
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico se selecciona de polivinilpirrolidona (PVP) o polidimetilsiloxano (PDMS) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (K<n>L<n>6).
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico es polivinilpirrolidona (PVP) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6).
En algunas realizaciones de la invención, el material polimérico es polidimetilsiloxano (PDMS) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6). Para fines de aclaración, se utiliza la expresión KNLN3 para representar el material piezoeléctrico de fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3 cuando el valor de 't' es 0,03 y la expresión KNLN6 se utiliza para representar el material piezoeléctrico de fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3 cuando el valor de 't' es 0,06.
En algunos aspectos preferidos de la invención, la matriz polimérica es un polímero de fluoruro de vinilideno (VDF) seleccionado entre fluoruro de polivinilideno (PVDF), fluoruro de polivinilideno co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE), poli (fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP), polivinilideno fluoruro-co-tetrafluoroetileno(PVDF-TFE), poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TRFE-CFE), poli (fluoruro de vinilideno-cotrifluoroetileno-co-clorotrifluoroetileno) (PVDF-TrFE-CTFE) o combinaciones de los mismos.
En algunas realizaciones de la invención, la matriz polimérica es un copolímero de poliolefina seleccionado entre copolímeros de etileno alfa-olefina, copolímeros de alfa-olefina de propileno, terpolímeros de alfa-olefina de etilenopropileno, en donde los copolímeros se derivan de uno o más restos de alfa-olefinas seleccionados entre 1-buteno, 4-metil-1-penteno, 1-hexeno, 1-octeno, 1-deceno, 1-dodeceno, 1-tetradeceno, 1-hexadeceno, 1-octadeceno y 1-eicoseno, o combinaciones de poliolefinas de los mismos. En algunas realizaciones preferidas de la invención, la matriz polimérica es un copolímero de poliolefina que comprende fracciones derivadas de etileno y 1-octeno. En algunas realizaciones preferidas de la invención, la matriz polimérica es un copolímero de poliolefina que comprende fracciones derivadas de etileno y 1-hexeno.
Según la invención, la matriz polimérica y el revestimiento de material polimérico del material piezoeléctrico son de diferente composición polimérica.
Preferiblemente, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS), polivinilpirrolidona (PVP), poliolefinas injertadas, polietilenglicol, polímeros de acetato de vinilo, polímeros de cianopolímeros o combinaciones de los mismos y preferiblemente la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre polímero de fluoruro de vinilideno (VDF), policaprolactona, copolímeros de poliolefina, copolímeros de polisiloxano-policarbonato, copolímeros de acrilato y/o metacrilato, tereftalato de polietileno (PET), policarbonato (PC), tereftalato de polibutileno (PBT), poli (1,4-ciclohexilideno ciclohexano-1,4- dicarboxilato) (PCCD), tereftalato de policiclohexilo modificado con glicol (PCTG), poli (óxido de fenileno) (PPO), polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno (PS), polietilenimina o polieterimida (Pe i) y sus derivados, polímeros de ácido tereftálico (TPA), poli (ciclohexanalio) tereftalato de dimetileno) (PCT), naftalato de polietileno (PEN), poliamida (PA), sulfonato de polisulfona (PSS), sulfonatos de polisulfonas, polieteretercetona (PEEK), acrilonitrilebutadieno estireno (ABS), polietercetona cetona (PEKK), sulfuro de polifenileno (PPS) , o mezclas o combinaciones de los mismos.
Preferiblemente, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS) o polivinilpirrolidona (PVP) y la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre polímero de fluoruro de vinilideno (VDF).
En algunas realizaciones de la invención, el compuesto piezoeléctrico comprende:
a. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 30,0 % en volumen y < 55,0 % en volumen, preferiblemente 50 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la matriz polimérica seleccionada entre poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) o fluoruro de polivinilideno-co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE); y
b. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 45,0 % en volumen y < 70,0 % en volumen, preferiblemente 50 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un material piezoeléctrico que comprende niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (Ko,5Nao,5)i-tLitNbO3 en donde 't' es 0,03 (KNLN3) y en donde el material piezoeléctrico está recubierto con una polivinilpirrolidona (PVP).
En algunas realizaciones de la invención, el compuesto piezoeléctrico comprende:
a. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 30,0 % en volumen y < 55,0 % en volumen, preferiblemente 50 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la matriz polimérica seleccionada entre poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) o fluoruro de polivinilideno-co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE); y
b. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 45,0 % en volumen y < 70,0 % en volumen, preferiblemente 50 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un material piezoeléctrico que comprende niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)i-tLitNbO3 en donde 't' es 0,03 (KNLN3) y en donde el material piezoeléctrico está recubierto con polidimetilsiloxano (PVP).
En un aspecto preferido de la invención, la invención se refiere a una película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención. La expresión “ película” , tal como se utiliza a lo largo de esta descripción, significa una película que es piezoactiva.
En algunas realizaciones de la invención, la invención se refiere a una película que comprende el compuesto piezoeléctrico, en donde el compuesto piezoeléctrico comprende:
a. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de una matriz polimérica seleccionada entre poli (fluoruro de vinilideno co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) o fluoruro de polivinilideno-co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE); y
b. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas dispersas en la matriz de polímero, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un material piezoeléctrico que comprende niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN3) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)i-tLitNbO3 en donde 't' es 0,03 o 't' es 0,06 y en donde el material piezoeléctrico está recubierto con un material polimérico seleccionado entre polivinilpirrolidona (PVP) o polidimetilsiloxano (PDMS).
Además, sin pretender ceñirse a ninguna teoría específica, se cree que al procesar el compuesto en forma de película, la película puede ajustarse para que tenga una flexibilidad mecánica adecuada y, posteriormente, incorporarse en varios artículos de fabricación.
En algunos aspectos de la invención, la invención se refiere a un método para preparar una película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención, en donde el método comprende:
a. disolver un polímero en un disolvente orgánico y formar una solución polimérica;
b. añadir una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas a la solución polimérica y formar una solución compuesta piezoeléctrica precursora;
c. moldear la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato y formar una película precursora; y d. someter la película precursora a un tratamiento de polarización eléctrica y formar la película.
En algunas realizaciones de la invención, la solución polimérica puede estar en forma de una matriz polimérica. Preferiblemente, las partículas de relleno piezoeléctricas se revisten antes de introducir las partículas de relleno revestidas en la solución polimérica. Sin pretender ceñirse a ninguna teoría específica, el revestimiento de las partículas de relleno antes de dispersarlas en la solución polimérica mejora la dispersión de las partículas de relleno e imparte propiedades piezoeléctricas mejoradas a una película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención.
Por consiguiente, en algunas realizaciones de la invención, la invención se refiere a una película obtenida mediante un método que comprende las etapas de:
a. disolver un polímero en un disolvente orgánico y formar una solución polimérica;
b. añadir una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas a la solución polimérica y formar una solución compuesta piezoeléctrica precursora;
c. moldear la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato y formar una película precursora; y
d. someter la película precursora a un tratamiento de polarización eléctrica y formar la película.
Algunas de las diferencias en las propiedades entre la película precursora y la película son que la película es piezoactiva mientras que la película precursora no es piezoactiva.
En algunas realizaciones de la invención, el sustrato utilizado para la fundición es una placa de vidrio. Ejemplos no limitativos de disolventes orgánicos utilizados para preparar la película incluyen tetrahidrofurano (THF), metiletilcetona (MEK), dimetilsulfóxido (DMSO), dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirrolidona (NMP), 1,2-diclorobenceno, 1,2,4 triclorobenceno, ciclohexano, tolueno, p-xileno o combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones preferidas de la invención, el disolvente orgánico es una mezcla en volumen 50/50 de tetrahidrofurano (THF) y dimetilformamida (DMF). En algunas realizaciones preferidas de la invención, el disolvente orgánico es dimetilformamida (DMF).
En diversas realizaciones de la invención, la fundición de la solución compuesta piezoeléctrica precursora puede incluir extender la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato. La expresión “ fundición” , tal como se utiliza para los fines de esta invención, incluye el proceso de eliminar el disolvente. Ejemplos no limitativos de fundición incluyen fundición al aire (p. ej., la solución precursora de compuesto piezoeléctrico se puede pasar por una serie de conductos de flujo de aire que controlan la evaporación de los solventes orgánicos en un período de tiempo determinado, como 24 a 48 horas), fundición por solvente o por emersión (p. ej., la solución precursora de compuesto piezoeléctrico se extiende sobre una cinta móvil y se pasa a través de un baño o líquido en el que el líquido dentro del baño se intercambia con el solvente orgánico). La dispersión de la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre el sustrato se puede llevar a cabo utilizando una cuchilla perforadora, una barra separadora rodante o cualquier aparato adecuado de este tipo.
En algunos aspectos de la invención, la solución compuesta piezoeléctrica precursora se seca a cualquier temperatura > 25 °C y < 80 °C, alternativamente > 45 °C y < 70 °C, para eliminar el disolvente orgánico y formar la película precursora. En algunas realizaciones de la invención, la película precursora se recoce antes de la formación de polos. El recocido de la película precursora se puede llevar a cabo a cualquier temperatura > 80 °C y < 150 °C durante cualquier período de tiempo > 1 hora y < 50 horas, preferiblemente recociendo la película precursora a una temperatura de 110 °C durante cualquier período de tiempo > 5 horas y < 25 horas.
La expresión “ polarización” , tal como se utiliza a lo largo de esta descripción, significa un proceso de inducción de polarización eléctrica en un material para orientar específicamente las partículas de relleno piezoeléctricas a lo largo de la dirección del campo aplicado o cualquier orientación predeterminada de este tipo. Durante la polarización eléctrica, las partículas de relleno piezoeléctricas revestidas se pueden conectar entre sí de manera lineal o semilineal (por ejemplo, cadenas de partículas). Las columnas de partículas piezoeléctricas se forman adecuadamente alineando más de una cadena. A modo de ejemplo, el precursor de la película puede polarizarse en un campo eléctrico seleccionado a una temperatura específica. La temperatura seleccionada puede elegirse, por ejemplo, según una orientación dipolar deseada, o una intensidad de polarización deseada, o según se requiera para un área de aplicación prevista. El parámetro de tensión aplicado para la polarización se puede seleccionar de varias maneras. Por ejemplo, el parámetro de nivel de tensión aplicado se puede seleccionar como constante o cambiante (por ejemplo, en rampa) durante un período de tiempo. En algunas realizaciones de la invención, la polarización se realiza mediante descarga en corona en un instrumento de polarización en corona que tiene un espacio entre electrodos de 0,5 cm a 1,5 cm.
En algunas realizaciones de la invención, el tratamiento de polarización eléctrica se lleva a cabo en un campo eléctrico > 5 kV/mm y < 100 kV/mm, alternativamente > 10 kV/mm y < 80 kV/mm, o alternativamente > 20 kV/mm y 60 kV/mm, durante un período de tiempo > 1 minuto y <120 minutos, alternativamente > 20 minutos y <100 minutos, o alternativamente > 50 minutos y < 80 minutos, y a cualquier temperatura que varíe > 50 °C y < 120 °C, o alternativamente entre > 70 °C y <100 °C.
En algunos aspectos de la invención, la pérdida dieléctrica (tan8) para una película que comprende el compuesto piezoeléctrico es suficientemente baja incluso cuando la película está expuesta a un ambiente húmedo o de alta humedad. En otras palabras, cuando la película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención se utiliza en dispositivos tales como actuadores o sensores, se minimiza el calentamiento interno de los dispositivos debido a la pérdida dieléctrica, lo que resulta en un funcionamiento más eficiente del dispositivo.
La pérdida dieléctrica puede medirse, por ejemplo, aplicando una tensión de corriente alterna y midiendo la diferencia de fase entre la forma de onda de la tensión y la forma de onda de la corriente resultante, lo que proporciona el valor (tanS) o la pérdida dieléctrica. La pérdida dieléctrica puede medirse, por ejemplo, utilizando cualquier técnica adecuada, tal como mediante el uso de un analizador de impedancia tal como el Agilent 4294A o el analizador de impedancia de alta frecuencia Novocontrol, modelo Alpha AT.
En algún aspecto de la invención, los inventores descubrieron sorprendentemente que una película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención retenía un coeficiente de carga piezoeléctrica suficientemente alto (d33) junto con una baja pérdida dieléctrica incluso cuando la película está expuesta a la humedad.
En algunas realizaciones de la invención, el coeficiente de carga piezoeléctrica (d33) es > 2 pC/N y < 100 pC/N, alternativamente de > 15 pC/N y < 80 pC/N, o alternativamente > 40 pC/N y < 60 pC/N, en donde el coeficiente de carga piezoeléctrica (d33) se mide a una frecuencia de 1000 Hz. El coeficiente de carga piezoeléctrica (d33) se puede medir utilizando cualquier instrumento conocido utilizado normalmente en la industria, tal como mediante el sistema PiezoMeter, modelo PM300. La pérdida dieléctrica y el coeficiente de carga piezoeléctrica pueden medirse, por ejemplo, según la norma ASTM D 150-18.
En algunas realizaciones de la invención, la película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención tiene un grosor > 20 micrómetros y < 500 micrómetros, alternativamente un grosor > 60 micrómetros y < 400 micrómetros, o alternativamente un grosor > 100 micrómetros y < 300 micrómetros.
En varios aspectos de la invención, la invención se refiere a un artículo de fabricación que comprende la película que comprende el compuesto piezoeléctrico de la presente invención. En algunas realizaciones de la invención, el artículo de fabricación es un componente de un panel táctil, una interfaz hombre-máquina, un teclado integrado o un dispositivo portátil.
A continuación se incluyen ejemplos específicos que demuestran algunas de las realizaciones de la invención. Los ejemplos tienen únicamente fines ilustrativos y no pretenden limitar la invención. Debe entenderse que las realizaciones y los aspectos descritos en la presente memoria no son mutuamente excluyentes y dichos aspectos y realizaciones pueden combinarse de cualquier manera. Los expertos en la técnica reconocerán fácilmente los parámetros que pueden cambiarse o modificarse para obtener esencialmente los mismos resultados.
Ejemplos
Ejemplo 1
Síntesis de partículas de relleno piezoeléctrico (KNLN3) que tienen la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3 a 't' es 0,03(Kci,485Na0,485Li0,03N bO3)
Propósito:El ejemplo 1 ilustra un método de preparación de rellenos piezoeléctricos (KNLN3) que tienen la fórmula K0,485N a0,485L¡0,03NbO3.
Materiales:La siguiente tabla proporciona un resumen de los materiales utilizados para preparar los rellenos y los proveedores de los que se adquirieron las materias primas:
Tabla 1: Descripción del material
Proceso de preparación:Se practicó el siguiente método general para preparar el relleno cerámico piezoeléctrico (KNLN3): se mezclaron proporciones estequiométricas de precursores de compuestos metálicos de polvos de K2CO3, Na2CO3, LbCO3 y Nb2O5 en un medio de ciclohexano utilizando un mezclador revestido de polipropileno y bolas de zirconia durante 3 horas para homogeneización. La suspensión resultante así obtenida se filtró y se secó en un horno de aire caliente durante 24 horas para formar la composición de mezcla de sales metálicas. La composición de la mezcla de sales metálicas se sometió a una primera y segunda etapa de calcinación para obtener el relleno piezoeléctrico.
Primera etapa de calcinación: La calcinación de la composición de mezcla de sales metálicas secas se realizó en un crisol de alúmina cerrado a una primera temperatura de calcinación calentando las muestras a una velocidad de 5 °C por minuto hasta que se alcanzó la primera temperatura de calcinación a 1050 °C. Posteriormente, la temperatura se mantuvo a la primera temperatura de calcinación durante 3 horas y posteriormente se enfrió a temperatura ambiente. Tras la primera calcinación, el polvo se molió en bolas durante 3 horas para refinar el tamaño de las partículas.
Segunda etapa de calcinación: Después de la molienda con bolas, las muestras se calentaron a una segunda temperatura de calcinación a una velocidad de 1 °C/min hasta que la segunda temperatura de calcinación se alcanzó a 925 °C y, a continuación, se mantuvieron durante 10 horas y, a continuación, se enfriaron a temperatura ambiente. Tras la calcinación, los polvos se sometieron a ultrasonidos durante 1 hora en un medio de ciclohexano, se secaron a 150 °C durante 3 horas y se almacenaron en un horno de secado con ventilación al aire para evitar la absorción de humedad.
Ejemplo 2 (Inventivo)
Preparación de una película que contiene un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de partículas de relleno piezoeléctrico KNLN (KNLN3) revestidas con polivinilpirrolidona (PVP)
Propósito:El ejemplo 2 ilustra el rendimiento de una película que comprende un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de KNLN3 revestido con polivinil-pirrolidona (PVP) como partículas de relleno piezoeléctricas que se dispersan en una matriz polimérica de PVDF-TrFE-CFE. Las partículas de KNLN3 se representan mediante la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3 a 't' es 0,03 (K0,485Na0,485Li0,03NbO3) y se preparan según el método descrito bajo el Ejemplo 1.
Material utilizado:Los siguientes son los detalles del material utilizado:
Tabla 2: Compuesto piezoeléctrico que tiene rellenos de KNLN3 revestidos con PVP
Método para preparar las partículas de relleno piezoeléctricas de PVP revestidas:Se suspendieron aproximadamente 5 g de KNLN3 en 2 L de una solución acuosa de 0,06 mM que contenía polivinilpirrolidona (PVP) y después se agitó durante 12 horas. Las partículas se aislaron después centrifugando durante 10 minutos a 4400 rpm y el sobrenadante se decantó. Las partículas de relleno piezoeléctricas así obtenidas se secaron posteriormente durante una noche a 110 °C para obtener las partículas de relleno revestidas con PVP.
Método para preparar una película que contiene el compuesto piezoeléctrico que tiene partículas piezoeléctricas revestidas con PVP:El método general utilizado para preparar la película que contiene el compuesto piezoeléctrico fue el siguiente: (a) disolver un polímero en un disolvente orgánico y formar una solución polimérica; (b) añadir una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas con PVP a la solución polimérica y formar una solución compuesta piezoeléctrica precursora; (c) posteriormente, moldear la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato y formar una película precursora; y (d) someter la película precursora a un tratamiento de polarización eléctrica y formar la película. Para los fines del presente ejemplo, la película precursora se recoció antes del tratamiento de polarización eléctrica.
En particular, para producir el compuesto piezoeléctrico, se preparó una solución al 15 % en peso de poli(fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFe-CFE) (obtenido de Piezotech Arkema) en dimetilformamida (DMF) (solución polimérica). Las partículas de KNLN3 revestidas con PVP se mezclaron en esta solución polimérica utilizando un mezclador de velocidad planetaria Hauschild DAC 150 FVZ a 750 rpm durante 5 minutos para obtener la solución compuesta piezoeléctrica precursora. Posteriormente, la solución compuesta piezoeléctrica precursora se sometió a desgasificación durante varios minutos en un recipiente de vacío y, a continuación, la solución compuesta piezoeléctrica precursora se moldeó sobre una placa de vidrio utilizando una técnica de cuchilla dentada a una altura de colada de 1 mm para formar una película precursora.
La película precursora se secó en un horno de vacío a 70 °C durante 1 hora antes de recocerla a 110 °C durante 2 horas. Para hacer que la película precursora fuera piezoactiva, la formación de polos se llevó a cabo en un baño de aceite de silicona calentado a 110 °C durante 10 minutos en un campo de 10 kV/mm. Una vez que se completó la formación de polos, se apagó el campo y la película precursora se retiró del baño y, a continuación, se enfrió térmicamente para obtener una película que contenía las partículas de relleno KNLN3 revestidas con PVP. Una vez finalizado el recocido, se cortaron varios discos (12 mm de diámetro) del compuesto para las pruebas eléctricas. Los electrodos de oro se pulverizaron catódicamente sobre los discos compuestos utilizando un dispositivo de revestimiento por pulverización catódica Quorum Q300T.
Las propiedades eléctricas de los discos se midieron utilizando un medidor LCR Agilent 4263B. La espectroscopia dieléctrica de banda ancha se realizó utilizando un analizador alfa dieléctrico de una sola unidad de Novocontrol. Las propiedades piezoeléctricas se midieron utilizando un piezómetro tipo Court PM300 Berlin de Piezotest con una fuerza estática de 10 N y una fuerza dinámica de 0,25 N pico a pico con excitación sinusoidal a 110 Hz. Las mediciones eléctricas se realizaron utilizando un analizador dieléctrico Novocontrol Alpha en el rango de frecuencia de 1 Hz a 10 MHz a temperatura ambiente con una diferencia de potencial fija de 1 V.
Evaluación de la propiedad piezoeléctrica de una película que tiene rellenos piezoeléctricos revestidos con PVP:Para evaluar la eficacia del revestimiento sobre las partículas de relleno piezoeléctricas contra la humedad, se evaluó la pérdida dieléctrica (tan8) mediante espectroscopia dieléctrica de banda ancha. Posteriormente, para la evaluación se usó corriente alterna que tenía una frecuencia dentro del intervalo de frecuencias de 1 a 10<6>Hz.
Las muestras de película piezoeléctrica se analizaron para determinar su propiedad piezoeléctrica en diferentes condiciones de humedad relativa. Se obtuvieron tres muestras de película diferentes de la película obtenida a partir de la práctica del ejemplo 2. Posteriormente, cada una de las muestras de película se envejeció durante dos días en una condición específica de humedad relativa (Rh) (25 %, 55 %, 95 %). Para la exposición a una humedad relativa del 95 % (R<h>), la muestra de película se almacenó en una cámara en condiciones húmedas durante dos días. Para la exposición a una humedad del 55 %, la muestra de película se almacenó durante dos días y, a continuación, se expuso a una atmósfera de aire ambiente. Para la exposición a una humedad del 25 %, se almacenó una muestra de película en un recipiente de vacío en presencia de un gel de sílice desecante durante dos días.
Como control experimental, se determinó la pérdida dieléctrica (tan8) para una película preparada utilizando partículas de relleno de KNLN3 sin revestir dispersas en una matriz polimérica de PVDF-TrFE-CFE. Se determinó el efecto de la humedad sobre la pérdida dieléctrica y los resultados del ensayo se proporcionan a continuación en la Tabla 3:
Tabla 3: Propiedad piezoeléctrica medida para la pérdida dieléctrica a diferente humedad relativa
Además de las pruebas anteriores, el coeficiente de carga piezoeléctrica (d<33>), la pérdida dieléctrica (tan8) y la permitividad relativa se midieron a 1 kHz a una humedad relativa (R<h>) ~ 55 % y los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 4: Coeficiente de carga piezoeléctrica, pérdida dieléctrica y permitividad relativa a una frecuencia de 1 kHz
Resultados:A partir de la Tabla 3, es evidente que las partículas de relleno piezoeléctricas, al revestirse con PVP, dan como resultado una menor pérdida dieléctrica incluso en un entorno de alta humedad relativa (R<h>) del 95 %. Por ejemplo, a una frecuencia de 1133,82 Hz, la pérdida dieléctrica (tan (8)) de una película expuesta a una humedad relativa del 95 % (R<h>= 95 %) y que tenía materiales de relleno revestidos con PVP tuvo una pérdida dieléctrica casi un 70 % menor (tan (8)) en comparación con una película que tenía partículas de material de relleno no revestidas. De manera similar, a una frecuencia de 11952 Hz, la pérdida dieléctrica (tan (8)) de una película que tenía materiales de relleno revestidos con PVP era más de un 80 % inferior en comparación con una película que tenía partículas de material de relleno sin revestimiento.
A partir de la Tabla 4, se desprende claramente que la película que tiene rellenos piezoeléctricos recubiertos de PVP tiene una pérdida dieléctrica menor (Tan(8) de aproximadamente un 66 % menor) en comparación con una película que tiene partículas de relleno sin recubrimiento, al tiempo que mejora el coeficiente de carga piezoeléctrica (d<33>). Se sospecha que la razón por la que la pérdida dieléctrica se reduce significativamente con el revestimiento de PVP se debe a la mejora en la dispersión de las partículas de relleno en la matriz polimérica, lo que también es evidente en las imágenes de SEM. Además, aunque la permitividad relativa aumenta marginalmente para la muestra de película que contiene partículas de relleno revestidas, se espera que dicho aumento marginal en la permitividad relativa no afecte negativamente a la constante piezoeléctrica “ g” , lo que indica que se mantiene el rendimiento de detección de la película utilizando piezoelectricidad.
A partir de la figura 3, la incorporación del revestimiento de PVP sobre la partícula KNLN se puede concluir además a partir del espectrógrafo infrarrojo transformado de Fourier (FT-IR). El espectrógrafo indica señales características para 1) el polvo de KNLN3 sin revestimiento, 2) el revestimiento de PVP aislado y 3) del polvo de KNLN3 después de la funcionalización con PVP. La apariencia de los espectros característicos se desplaza a 3000 cm-1 y 1100 cm-1 para los estiramientos C-H y C-N, respectivamente, lo que confirma la presencia de PVP en la superficie de las partículas de KNLN3.
De hecho, para la PVP, se cree que la presencia de enlaces C-N y C=O polares permite una mejor adhesión con la superficie cerámica altamente polar e hidrófila de las partículas de KNLN3, mientras que la cadena alquílica no polar da como resultado una mejor compatibilización con la matriz polimérica.
La figura 1 (b) ilustra una imagen de SEM en la que un compuesto preparado utilizando partículas de relleno revestidas con PVP demuestra una morfología microestructural mejorada, lo que indica una mejor compatibilización entre las partículas de relleno revestidas con PVP y la matriz polimérica, en comparación con un compuesto que tiene partículas de relleno no revestidas como se muestra en la figura 1 (a). La figura 1 (a) puede representar un material compuesto piezoeléctrico típico en el que las partículas de relleno piezoeléctricas se dispersan en una matriz sin que las cargas tengan un revestimiento superficial y, por lo tanto, está fuera del alcance de la invención.
Ejemplo 3 (Inventivo)
Preparación de una película que contiene un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de partículas de relleno piezoeléctrico de KNLN (KNLN3) revestidas con polidimetilsiloxano (PDMS)
Propósito:El ejemplo 3 ilustra el rendimiento de un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de KNLN3 revestido con polidimetilsiloxano (PDMS) como partículas de relleno piezoeléctricas dispersas en una matriz polimérica de fluoruro de polivinilideno y cotrifluoroetileno. Las partículas de relleno de KNLN3 se representan mediante la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3 donde 't' es 0,03 (K0,485Na0,485Li0,03NbO3) y se preparan según el método descrito bajo el Ejemplo 1.
Material utilizado:Los siguientes son los detalles del material utilizado:
Tabla 5: Compuesto piezoeléctrico que tiene materiales de relleno revestidos con PDMS
Método para preparar las partículas de relleno piezoeléctricas revestidas con PDMS:Las partículas piezoeléctricas se obtuvieron de la manera descrita en el Ejemplo 1. Posteriormente, las partículas se revistieron con polímero de polidimetilsiloxano utilizando las siguientes etapas: Se disolvieron 0,3 g de dimetilsiloxano (monómero PDMS) en 20 ml de ciclohexano para formar una solución. Se añadieron aproximadamente 4,4 g de partículas de KNLN3 a esta solución y se agitaron con un agitador magnético durante 2 horas antes de eliminar el disolvente mediante evaporación a baja presión en un evaporador rotatorio para obtener partículas de relleno piezoeléctrico revestidas con polidimetilsiloxano (PDMS).
Método para preparar una película que contiene partículas piezoeléctricas revestidas con PDMS:El método de preparación de la película fue idéntico al descrito en el ejemplo 2, excepto que se utilizaron partículas de relleno revestidas con PDMS.
Evaluación de la propiedad piezoeléctrica utilizando rellenos piezoeléctricos revestidos con PDMS:Se evaluó el rendimiento piezoeléctrico de la película. El coeficiente de carga piezoeléctrica (d33), la pérdida dieléctrica (tan8) y la permitividad relativa se midieron a 1 kHz (1000 Hz) y los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 6: Coeficiente de carga piezoeléctrica, pérdida dieléctrica y permitividad relativa
Resultado:A partir de la Tabla 6 se desprende claramente que la película preparada utilizando partículas de relleno KNLN3 revestidas con PDMS tuvo una pérdida dieléctrica casi un 70 % menor y mantuvo niveles similares de coeficiente de carga piezoeléctrica (d<33>). Se puede concluir que la película del ejemplo 3 demuestra un nivel deseable de rendimiento piezoeléctrico. Ventajosamente, la permitividad relativa (£<r>o constante dieléctrica) se reduce significativamente cuando se utilizan partículas de relleno revestidas con PDMS, lo que indica un posible aumento en el valor de la constante de tensión piezoeléctrica (g) y hace que dicha película sea adecuada para su uso en un dispositivo de detección.
La figura 4 (a) ilustra imágenes SEM de partículas de KNLN3 sin revestir. La figura 4 (b) ilustra partículas de KNLN3 revestidas con PDMS. La figura 4 (c) ilustra la sección transversal de la película precursora que comprende partículas de KNLN3 sin revestir y la figura 4 (d) ilustra la sección transversal de la película precursora que comprende partículas de KNLN3 revestidas con PDMS.
La figura 4 (c) puede representar un material compuesto piezoeléctrico típico en el que las partículas de relleno piezoeléctricas se dispersan en una matriz sin que las cargas tengan un revestimiento superficial y, por lo tanto, está fuera del alcance de la invención.
Al comparar las imágenes de la figura 4 (a) y la figura 4 (b), el revestimiento exitoso del PDMS es evidente a partir de la morfología de la superficie, que es claramente visible en la imagen de la figura 4 (b). Además, a partir de la figura 4 (d), es evidente que la porosidad de la superficie se reduce considerablemente, lo que indica una mejor adhesión de las partículas de relleno a la matriz polimérica.
Ejemplo 4 (Comparativo)
Preparación de una película que contiene un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de partículas de relleno piezoeléctrico de k NlN (KNLN3) funcionalizadas con 3-amino (propil) -metil-dietoxisilano (ADS)
Propósito:El ejemplo 4 ilustra el rendimiento de un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de KNLN3 funcionalizado con 3-amino (propil)-metil-dietoxisilano (ADS) como partículas de relleno piezoeléctricas. Las partículas de KNLN3 se representan mediante la fórmula (K<o,5>Na<o,5>)<i - t>Li<t>NbO<3>a 't' es 0,03 (K<o,485>Na<o,485>Li<o,o3>NbO<3>) y se preparan según el método descrito bajo el Ejemplo 1. La matriz de polímero utilizada era de poli(fluoruro de vinilidenoco-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE).
La funcionalización de las partículas de relleno piezoeléctricas con ADS se llevó a cabo de manera similar a la manera en que el PVP se revistió sobre las partículas de relleno, excepto que el ADS simplemente funcionalizó en la superficie de las partículas de relleno y no formó un revestimiento de polímero encapsulante.
Evaluación de la propiedad piezoeléctrica utilizando rellenos piezoeléctricos funcionalizados con ADS:El efecto de la funcionalización de la superficie sobre la propiedad de la pérdida dieléctrica se evaluó de la manera descrita en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran en la tabla 7 a continuación:
Tabla 7: Propiedad piezoeléctrica medida para la pérdida dieléctrica
Resultado:A partir de la Tabla 7, es evidente que las películas preparadas utilizando partículas de relleno funcionalizadas en la superficie de ADS demostraron una pérdida dieléctrica menor que la de las películas preparadas utilizando partículas de relleno no revestidas.
Por otro lado, al comparar los resultados proporcionados en la Tabla 7 con los de la Tabla 3, es evidente que las películas preparadas utilizando partículas de relleno de KNLN3 revestidas con PVP demostraron una pérdida dieléctrica menor en comparación con las películas preparadas utilizando partículas de relleno funcionalizadas con ADS. Por ejemplo, a una frecuencia de 1,0 Hz y expuesta a una humedad relativa del 95 % (R<h>), la película que tenía partículas de relleno revestidas con PVP tenía una pérdida dieléctrica un 37 % menor en comparación con una película que utilizaba partículas de relleno funcionalizadas con ADS (Tabla 7). De manera similar, a 107,559 Hz y expuesta a una humedad relativa del 95 % (R<h>), la película que tenía partículas de relleno revestidas con PVP tenía una pérdida dieléctrica un 25 % menor en comparación con una película que utilizaba partículas de relleno funcionalizadas con ADS.
A partir de estos datos, queda claro que las películas que tienen partículas de relleno funcionalizadas con ADS funcionan mejor que las películas que tienen partículas de relleno de KNLN3 sin revestir en la mayoría de las condiciones. Sin embargo, no funcionan tan bien como las películas que comprenden partículas piezoeléctricas de relleno revestidas con PVP. Se sospecha que la razón por la que las partículas de relleno funcionalizadas con ADS no imparten niveles de rendimiento similares a los de una película que tiene partículas de relleno revestidas con PVP (Ejemplo 2) es porque el ADS no forma un revestimiento de polímero encapsulante alrededor de las partículas de relleno. Por otro lado, el revestimiento de PVP se forma mediante un proceso de polimerización relativamente simple que utiliza métodos tales como la fundición en solución. Por lo tanto, se cree que la PVP forma una capa más completa alrededor de las partículas de relleno del KNLN3.
Ejemplo 5 (Comparativo)
Preparación de una película que contiene un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de partículas de relleno piezoeléctrico de<k>N<l>N (KNLN3) funcionalizadas con MPMDS
Propósito:El ejemplo 5 ilustra el rendimiento de un compuesto piezoeléctrico que tiene un 50 % en volumen de KNLN3 funcionalizado con (3-mercaptopropil) metildimetoxisilano (MPMDS) como partículas de relleno piezoeléctricas. Las partículas de KNLN3 se representan mediante la fórmula (K<0,5>Na<0,5>)<1-t>Li<t>NbO<3>a 't' es 0,03 (K<0,485>Na<0,485>Li<0,03>NbO<3>) y se preparan según el método descrito bajo el Ejemplo 1.
La funcionalización de las partículas de relleno piezoeléctricas con MPMDS se llevó a cabo de manera similar a la manera en que el PVP se revistió sobre las partículas de relleno, excepto que el MPMDS simplemente funcionalizó la superficie de las partículas de relleno y no formó un revestimiento de polímero encapsulante alrededor de la partícula de carga. La matriz de polímero utilizada era de poli(fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE).
Evaluación de la propiedad piezoeléctrica utilizando rellenos piezoeléctricos funcionalizados con MPMDS:El efecto sobre la funcionalización de la superficie sobre la propiedad de la pérdida dieléctrica se evaluó de la manera descrita en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran en la Tabla 8 a continuación:
Tabla 8: Propiedad piezoeléctrica medida para la pérdida dieléctrica
Resultado:A partir de la Tabla 8, es evidente que las películas que contienen partículas de relleno funcionalizadas con MPMDS funcionan ligeramente mejor que las películas que tienen partículas de relleno de KNLN sin revestir en atmósfera seca (25 % de humedad relativa). En todas las demás condiciones de humedad, es evidente que la funcionalización de la superficie de las partículas de relleno con MPMDS da como resultado el deterioro de las pérdidas dieléctricas de la película. Cuando se compara con el rendimiento de una película que tiene partículas de relleno revestidas con PVP, la película que tiene partículas de relleno revestidas con PVP tuvo una pérdida dieléctrica significativamente menor. Por ejemplo, a una frecuencia de 11952 Hz y expuesta a una humedad relativa del 95 %, la película que tenía partículas de relleno revestidas con PVP tenía una pérdida dieléctrica un 66 % menor en comparación con una película que tenía partículas de relleno funcionalizadas con MPMDS.
Además, a partir de la imagen SEM mostrada en la figura 2 (b), cuando las partículas de relleno KNLN se revisten con MPMDS, se deduce que la adhesión del polímero a las partículas de relleno se reduce drásticamente con una microestructura visiblemente más pobre después del agrietamiento y un aumento correspondiente en la pérdida dieléctrica.
Resumen:A partir de los resultados obtenidos en el Ejemplo 5, es evidente que una película que tiene partículas de relleno revestidas con un material polimérico demuestra una pérdida dieléctrica menor incluso cuando dicha película está expuesta a un entorno de alta humedad en comparación con una película que tiene partículas de relleno no revestidas o cuando las partículas de relleno están simplemente funcionalizadas en la superficie. Sorprendentemente, se descubrió que para las películas preparadas según los ejemplos inventivos del Ejemplo 2 y el Ejemplo 3, el coeficiente de carga piezoeléctrica (d33) se mantuvo o mejoró marginalmente, al tiempo que demostró una pérdida dieléctrica más baja.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un compuesto piezoeléctrico, que comprende:
a.una matriz polimérica; y
b.una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas está dispersa en la matriz polimérica y, además, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrica revestidas comprende un material piezoeléctrico que tiene al menos una parte de su superficie exterior revestida con un material polimérico que tiene al menos un grupo funcional polar,caracterizado porquela matriz polimérica y el revestimiento de material polimérico del material piezoeléctrico son de diferentes composición polimérica.
2. El compuesto piezoeléctrico de la reivindicación 1, en donde el material polimérico comprende al menos un grupo funcional polar seleccionado entre el grupo hidroxilo, el grupo carboxilato, el grupo éster, el grupo ácido sulfónico, el grupo amida, el grupo siloxano, el grupo amino, el sulfhidrilo, el fosfato, el grupo éter, el grupo halógeno y un grupo nitrilo.
3. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas están presentes en una cantidad > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico.
4. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde el material piezoeléctrico se selecciona de hidroxiapatita, apatita, sulfato de litio monohidrato, titanato de bismuto sódico, cuarzo, ácido tartárico, poli(difluoruro de vinilideno), titanato de bario, niobato de sodio y potasio (KNaNb)O3 (KNN), titanato de zirconato de plomo (PZT), titanato de niobio y plomo (PNT), titanato de niobio y escandio de plomo (PSNT), metaniobato de plomo, niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3, en donde la variable 't' varía de mayor que 0,01 a menor que 1,0 (0,01 <t<1,00).
5. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS), polivinilpirrolidona (PVP), poliolefinas injertadas, polímeros de acrilato y metacrilato, polietilenglicol, polímeros de acetato de vinilo, policarbonato, polímeros de fluoruro de vinilideno (VDF), polímeros de ciano, poli (óxido de fenileno) o combinaciones de los mismos, preferiblemente el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS), polivinilpirrolidona (PVP), poliolefinas injertadas, polietilenglicol, polímeros de acetato de vinilo, ciano polímeros o combinaciones de los mismos; más preferiblemente, el material polimérico se selecciona entre polidimetilsiloxano (PDMS) o polivinilpirrolidona (PVP).
6. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el material polimérico se selecciona de polivinilpirrolidona (PVP) o polidimetilsiloxano (PDMS) y el material piezoeléctrico es un niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3, en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6).
7. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre polímero de fluoruro de vinilideno (VDF), policaprolactona, polisiloxano, polidimetilsiloxano (PDMS), copolímeros de poliolefina, copolímeros de polisiloxano-policarbonato, copolímeros de acrilato y/o metacrilato, tereftalato de polietileno (PET), policarbonato (PC), tereftalato de polibutileno (PBT), poli (l,4-ciclohexilideno ciclohexano-l,4-dicarboxilato) (PCCD), tereftalato de policiclohexilo modificado con glicol (PCTG), poli (óxido de fenileno) (PPO), polipropileno (PP) , polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno (PS), polietilenimina o polieterimida (PEI) y sus derivados, elastómero termoplástico (TPE), polímeros de ácido tereftálico (TPA), poli (tereftalato de ciclohexanodimetileno) (PCT), naftalato de polietileno (PEN), poliamida (PA), polisulfona ato (PSS), sulfonatos de polisulfonas, polieteretercetona (PEEK), acrilonitrilebutadienoestireno (ABS), polietercetona cetona (PEKK), sulfuro de polifenileno (PPS), o mezclas o combinaciones de los mismos, preferiblemente la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre polímero de fluoruro de vinilideno (VDF), policaprolactona, copolímeros de poliolefina, copolímeros de polisiloxano-policarbonato, copolímeros de acrilato y/o metacrilato, tereftalato de polietileno (PET), policarbonato (PC), tereftalato de polibutileno (PBT), poli (l,4-ciclohexilideno ciclohexanol,4-dicarboxilato) (PCCD), tereftalato de policiclohexilo modificado con glicol (PCTG), poli (óxido de fenileno) (PPO), polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), poliestireno (PS), polietilenimina o polieterimida (PEI) y sus derivados, polímeros de ácido tereftálico (TPA), poli (tereftalato de ciclohexanodimetileno) (PCT), naftalato de polietileno (PEN), poliamida (PA), sulfonato de polisulfona (PSS), sulfonatos de polisulfonas, polieteretercetona (PEEK), acrilonitrilebutadieno estireno (ABS), polietercetona cetona (PEKK), sulfuro de polifenileno (PPS), o mezclas o combinaciones de los mismos, más preferiblemente la matriz polimérica es un polímero seleccionado entre un polímero de fluoruro de vinilideno (VDF).
8. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde la matriz polimérica es un polímero de fluoruro de vinilideno (VDF) seleccionado entre fluoruro de polivinilideno (PVDF), fluoruro de polivinilideno y cotrifluoroetileno (PVDF-TrFe), poli (fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP), polivinilideno fluoruro-co-tetrafluoroetileno (PVDF-TFE), poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetilenoco-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE), poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-clorotrifluoroetileno) (PVDF-TFFE-CTFE) o combinaciones de los mismos, preferiblemente el
polímero de fluoruro de vinilideno (VDF) se selecciona entre poli (fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno-coclorofluoroetileno) (PVDF-TrFe-CFE) o fluoruro de polivinilideno-co-trifluoroetileno (PVDF-TrFE).
9. El compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde el compuesto piezoeléctrico comprende:
a.. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 30,0 % en volumen y < 55,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la matriz polimérica, en donde la matriz polimérica comprende un polímero seleccionado entre poli (fluoruro de vinilidenoco-trifluoroetileno-co-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) o fluoruro de polivinilideno-cotrifluoroetileno (PVDF-TrFE); y
b. > 20,0 % en volumen y < 80,0 % en volumen, preferiblemente > 30,0 % en volumen y < 55,0 % en volumen, con respecto al volumen total del compuesto piezoeléctrico, de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas dispersas en la matriz de polímero, en donde cada una de la pluralidad de partículas de relleno piezoeléctrico revestidas comprende un material piezoeléctrico que comprende niobato de sodio y potasio dopado con litio (KNLN) representado por la fórmula (K0,5Na0,5)1-tLitNbO3 en donde 't' es 0,03 (KNLN3) o 't' es 0,06 (KNLN6) y en donde cada uno de los materiales piezoeléctricos está recubierto con un material polimérico seleccionado entre polivinilpirrolidona (PVP) o polidimetilsiloxano (PDMS).
10. Una película que comprende el compuesto piezoeléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9.
11. Un método para preparar la película según la reivindicación 10, en donde el método comprende:
a. disolver un polímero en un disolvente orgánico y formar una solución polimérica; b. añadir una pluralidad de partículas de relleno piezoeléctricas revestidas a la solución polimérica y formar una solución compuesta piezoeléctrica precursora;
c. moldear la solución compuesta piezoeléctrica precursora sobre un sustrato y formar una película precursora; y
d. someter la película precursora a un tratamiento de polarización eléctrica y formar la película.
12. El método de la reivindicación 11, en donde el tratamiento de polarización eléctrica se lleva a cabo a un campo eléctrico > 5 kV/mm y < 100 kV/mm durante un período de tiempo > 1 minuto y < 120 minutos y a una temperatura > 50 °C y < 120 °C.
13. Un artículo de fabricación, tal como un componente de un panel táctil o una interfaz hombre-máquina o un teclado integrado o un dispositivo portátil, que comprende la película según la reivindicación 10.
14. Uso de la película según la reivindicación 10 para mejorar la propiedad piezoeléctrica del artículo de fabricación de la reivindicación 13.
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