Διηλεκτρικές ιδιότητες (νανο)σύνθετων υλικών

Abstract

This work deals with the study of composite materials based on a commercial epoxy resin (Epoxol 2874) in which two filler materials were introduced constituting two distinct experiments respectively: a) micro-scale Al2O3 grains by Merck and b) as-produced (nano)-scale ZnO rods (hybrid mixture of micro- and nano-scale). The common denominator of the study was the dielectric characterization, while a different approach was applied in terms of experimental design and measurements for these two materials. The composites reinforced with Al2O3 were lab-fabricated and underwent dielectric characterization for frequencies of 100 Hz - 1 MHz regarding three filler parameters: a) dispersion, b) morphology (γ- and δ-alumina) and c) content (1, 5 wt%). The study of δ-alumina morphology was pursued due to limited data in the literature available for this transition form of alumina. ZnO reinforced composites were lab-fabricated in their entirety and studied in variable conditions by means of dielectric spectroscopy for frequencies 10 MHz - 1 GHz, UV-VIS spectroscopy for wavelengths 300 - 850 nm, FTIR spectroscopy for wavenumber range 4000 - 400 cm-1, colorimetry in the CIELAB color space, as well as gloss and contact angle measurements based on the change of the following parameters: a) chemical composition of material, by gradual exposure at 576-hour time intervals in an accelerated weathering environment for a total duration of 2880 hours, b) filler content (0.1, 0.5 and 2 wt%) and c) sorbed moisture content, by conditioning of samples accordingly. In the existing literature, the investigation of the dielectric behavior of zinc oxide reinforced epoxy resin composites for a frequency range of 10 MHz - 1 GHz is currently limited, probably due to the difficulties in highlighting the phenomena that determine it. Furthermore, the investigation of dielectric properties in the same frequency domain amid gradual photodegradation due to aging (natural or artificial) was unavailable and therefore the present work constitutes an innovative addition to the existing literature, laying the groundwork for the development of more durable and thus, more efficient dielectric materials for a multitude of telecom applications. In conclusion, the dielectric properties were formed in a different manner for the materials under consideration, making it possible to qualify individual compositions. In specific, regarding the epoxy resin composites reinforced with the two Al2O3 grain morphologies on a micro-scale, those containing porous δ-alumina at a reinforcement percentage of 5 wt% are preferred, while regarding the epoxy resin composites with ZnO (nano)rods, those with a reinforcement percentage of 0.5 wt% are preferred. The qualified composites meet the objective of keeping the dielectric properties at the lowest possible levels. In particular, with the incorporation of fillers and compared to the neat resin, the loss tangent was kept almost unchanged and the permittivity was further reduced for the selected materials, while specifically for those containing ZnO, the dielectric properties are characterized by stability against imposed photodegradation, with the permittivity also maintaining initial decrease for a considerable period of time. At the same time, the maximization of adsorbed moisture, as a consequence of material degradation, was the most prominent factor introducing changes (increase) to dielectric properties, even compared to the full accelerated aging exposure.

H εργασία αυτή πραγματεύεται την μελέτη σύνθετων υλικών βασισμένα σε εποξειδική ρητίνη του εμπορίου (Epoxol 2874), στην οποία ενσωματώθηκαν σε δύο ξεχωριστά πειράματα τα εξής πρόσθετα υλικά: α) κόκκοι Al2O3 σε μικροκλίμακα της εταιρείας Merck και β) εργαστηριακά παραχθείσες ράβδοι ZnO σε (νανο)-κλίμακα (μικτό περιεχόμενο ράβδων σε μικρο- και νανο-κλίμακα). Κοινό παρονομαστή της όλης μελέτης αποτέλεσε ο διηλεκτρικός χαρακτηρισμός, ενώ διαφορετική προσέγγιση ακολουθήθηκε όσον αφορά στην πραγματοποίηση μετρήσεων και χαρακτηρισμών για την εξαγωγή συμπερασμάτων για τα υλικά αυτά. Τα σύνθετα υλικά με κόκκους Al2O3 κατασκευάστηκαν εργαστηριακά και μελετήθηκαν εν μέσω διηλεκτρικής φασματοσκοπίας για συχνότητες 100 Hz - 1 MHz με γνώμονα τρεις παραμέτρους σχετικά με το πρόσθετο: α) την διασπορά του, β) την μορφολογία του (γ- και δ-αλούμινα) και γ) τα ποσοστά ενίσχυσης (1, 5 wt%). Η μελέτη της μορφολογίας δ-αλούμινας επιδιώχθηκε λόγω των περιορισμένων διαθέσιμων στοιχείων για την μεταβατική αυτή μορφή της αλούμινας στην βιβλιογραφία.Τα σύνθετα υλικά με ράβδους ZnO κατασκευάστηκαν εξ’ ολοκλήρου εργαστηριακά και μελετήθηκαν σε μεταβαλλόμενες συνθήκες εν μέσω διηλεκτρικής φασματοσκοπίας για συχνότητες 10 MHz - 1 GHz, φασματοσκοπιών UV-VIS για μήκη κύματος 300 - 850 nm, φασματοσκοπίας FTIR για εύρος κυματαριθμών 4000 - 400 cm-1, χρωματομετρίας στον χρωματικό χώρο CIELAB, καθώς και μετρήσεων στιλπνότητας και γωνίας επαφής, με γνώμονα την μεταβολή των εξής παραμέτρων: α) χημική σύσταση υλικού, με σταδιακή έκθεση για χρονικά διαστήματα 576 ωρών σε περιβάλλον επιταχυνόμενης γήρανσης συνολικής διάρκειας 2880 ωρών, β) κατά βάρος ποσοστό πρόσθετου ZnO, με κατασκευή τριών διαφορετικών ομάδων δοκιμίων ενισχυμένα με ποσοστά 0.1, 0.5 και 2 wt% και γ) επίπεδα προσροφημένης υγρασίας, με τον καθορισμό δύο διαφορετικών καταστάσεων προσροφημένης υγρασίας εντός της πολυμερικής μήτρας (κατάσταση χαμηλής και υψηλής προσροφημένης υγρασίας). Στην υπάρχουσα βιβλιογραφία η διερεύνηση της διηλεκτρικής συμπεριφοράς σύνθετων υλικών εποξειδικής ρητίνης ενισχυμένης με οξείδιο του ψευδαργύρου για εύρος συχνοτήτων 10 MHz - 1 GHz μέχρι και σήμερα είναι περιορισμένη, πιθανότατα λόγω των δυσκολιών που υπάρχουν στην ανάδειξη των φαινομένων που την καθορίζουν. Περαιτέρω, η διερεύνηση των διηλεκτρικών ιδιοτήτων στο ίδιο πεδίο συχνοτήτων κατά την σταδιακή φωτοαποικοδόμηση λόγω γήρανσης (φυσικής ή τεχνητής) δεν ήταν διαθέσιμη και επομένως η παρούσα εργασία συνιστά καινοτόμα προσθήκη στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, θέτοντας τις βάσεις για την ανάπτυξη ανθεκτικότερων και κατ’ επέκταση αποδοτικότερων διηλεκτρικών υλικών για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές. Εν κατακλείδι, οι διηλεκτρικές ιδιότητες διαμορφώθηκαν με ποικίλους τρόπους για όλα τα υπό εξέταση υλικά, καθιστώντας δυνατή την πρόκριση μεμονωμένων συνθέσεων. Ειδικότερα, σχετικά με τα σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης ενισχυμένης με τις δύο μορφολογίες κόκκων Al2O3 σε μικροκλίμακα προκρίνονται αυτά που περιέχουν πορώδη αλούμινα σε ποσοστό ενίσχυσης 5 wt%, ενώ σχετικά με τα σύνθετα υλικά εποξειδικής ρητίνης με (νανο)ράβδους ZnO προκρίνονται αυτά με ποσοστό ενίσχυσης 0.5 wt%. Οι προκρινόμενες συνθέσεις ικανοποιούν τον στόχο της διατήρησης των διηλεκτρικών ιδιοτήτων στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα. Ειδικότερα, με την ενσωμάτωση των πρόσθετων υλικών και εν συγκρίσει με την καθαρή ρητίνη, η εφαπτομένη απωλειών διατηρήθηκε σχεδόν αμετάβλητη και η επιτρεπτότητα μειώθηκε περαιτέρω για τα προκρινόμενα υλικά, ενώ συγκεκριμένα για αυτά που περιέχουν ZnO, οι διηλεκτρικές ιδιότητες χαρακτηρίζονται από σταθερότητα έναντι της επιβαλλόμενης φωτοαποικοδόμησης, με την επιτρεπτότητα να διατηρεί ικανοποιητικά την αρχική μείωση (σε σχέση με την ρητίνη). Παράλληλα η μεγιστοποίηση της προσροφημένης υγρασίας ως απόρροια της αποικοδόμησης του υλικού αποτέλεσε τον παράγοντα που επέφερε την μεγαλύτερη μεταβολή (αύξηση) των τιμών των διηλεκτρικών ιδιοτήτων, ακόμα και σε σχέση με την όλη επιβαλλόμενη γήρανση.