Thermal and electrical properties of PVDF/Cu nanocomposites

Abstract

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nanocomposites films with spherical and 1 Dimension (1D) copper nanoparticles as fillers were prepared; the morphology, dielectric properties, and thermal conductivity were studied. The role of dimensionality of the fillers was assessed and discussed. Spherical or nanowires copper nanoparticles were incorporated into the polymeric matrix up to 0.30 wt % via solution casting from dimethylformamide DMF, which acts as a good solvent for PVDF. The obtained films were shown to be porous when investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM). The porosity of the films was eliminated by a hot pressing step. Fourier transform infrared (FTIR) and Raman spectroscopy investigations indicated the formation of γ-phase in the pure polymer as for polymer matrix for both spherical and nanowires copper nanoparticles loading. The presence of Cu in the polymer matrix was only detected for high nanoparticles contents by UV-Vis spectroscopy and X Ray Diffraction (XRD). The crystallization of the polymer was not significantly affected in the case of Cu spheres nanoparticles loading. For Cu nanowires, an increase of the degree of crystallization (ΔXc) with Cu loading was observed (pressed samples). The dielectric and thermal conductivity measurements showed a significant improvement of the dielectric constant and thermal conductivity compared to pure PVDF. When the loading of Cu nanoparticles equals to 0.30%, the dielectric constant and thermal conductivity of the nanocomposites incorporating spherical particles is ~20 at 103 Hz and 0.39 W/mK, respectively. However and particularly interesting this effect is more noticeable for Cu nanowires nanocomposites for which the dielectric constant and the thermal conductivity reached values of 24.4 at 103 Hz and 0.45 W/mK, respectively. These results, until now not reported in the literature, have a unique relevance for future applications of PVDF as electric stress control, electromagnetic shielding and high storage capability of the electric energy devices.

Neste trabalho foram preparados filmes nanocompósitos de poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) com nanoesferas e nanofios de cobre. Foram estudadas a morfologia, propriedades dieléctricas e condutividade térmica. O papel da dimensionalidade do enchimento (fillers) foi avaliado e discutido. As nanopartículas esféricas ou nanofios de cobre foram incorporados na matriz polimérica até 0,30% em peso, através da conformação de soluções de dimetilformamida (DMF). Os filmes obtidos mostraram-se porosos quando analisados por microscopia electrónica de varrimento (SEM). A porosidade dos filmes foi eliminada por uma etapa de prensagem a quente. Espectroscopias de Infravermelho (FTIR) e Raman indicaram a formação da fase γ na matriz polimérica para ambos os tipos de fillers, nano esferas e nanofios de cobre. A presença de Cu na matriz do polímero só foi detectada por espectroscopia UV-VIS e Difracção de raios X (XRD) para altos teores de nanopartículas. A cristalização do polímero não foi significativamente afectada no caso da carga com nanoesferas de Cu. Contudo, foi observada um aumento do grau de cristalização (ΔXc) com a carga para os nanofios de Cu (amostras prensadas). Medições da resposta eléctrica e térmica revelaram uma melhoria significativa da constante dieléctrica e da condutividade térmica em comparação com PVDF puro. Quando a carga de nanopartículas de Cu equivale a 0,30%, a constante dieléctrica e a condutividade térmica dos nanocompósitos com partículas esféricas é de aproximadamente 20 a 103 Hz e 0,39 W/mK, respectivamente. No entanto, e particularmente interessante, este efeito é mais evidente para os nanocompósitos com nanofios de Cu, para os quais a constante dieléctrica e a condutividade térmica atingem valores de 24,4 a 103 Hz e 0,45 W/mK, respectivamente. Estes resultados, até agora não reportados na literatura, são de relevância para futuras aplicações de PVDF em dispositivos controladores de stress eléctrico, de blindagem electromagnética e de alta capacidade de armazenamento de energia eléctrica.