纤维素纳米晶体材料是来源于纤维素( 1]。又被称为Nanocellulose,结果当纤维素的无定形部分切除;在这之后,水晶部分保留在材料( 2, 3]。较高的结晶度数控传授优于普通的纤维素。数控存储和模量高于正常的纤维素。

它还具有较高的化学稳定性比普通纤维素,由于数控的结晶度更高。根据Kumar-Mishra et al。 4),专家重点关注应用程序障碍等液态和气态材料,生物医药,水净化。然而,低生态足迹的外表绝缘表基于nanocellulose上升前沿研究( 5),作为替代纳米复合电介质( 6]。有报道称数控机械和化学性质,但很少有处理数控的电气性能。有一些论文报告的使用数控材料用于组装电容器( 7)或组装电池( 8]。的利益衡量加工中心位于介电性能的事实,他们是一个有前途的材料电子应用中,由于其绝缘特性和改进的阻力,与文献[ 7- - - - - - 9]。纤维素纳米晶体可以用于制造超级电容器、电池和电动马达或电力变压器代替纸介质。然而,很少有论文处理电气性能和加工中心的介电行为。许多产品用于电气工业包含纸介质;随着时间的推移这种材料降解或吸收湿气,导致它失去它的属性或失败,为供应商和用户造成经济损失。产品改进的属性将取代他们的理想选择。加工中心是一种经济访问材料与有趣的属性,使其材料在能源领域的潜在应用。

在这个报告中,我们测量了纯的介电性能和复合数控电影和电容器设备的应用程序。我们还描述了原子力显微镜(AFM)、热重分析(TGA)、偏振光学显微镜(POM)和扫描电子显微镜(SEM)。电影的特征表明,纤维素纳米晶体的有序阶段。介电性能表明,加工中心可能是材料工业对能源行业的兴趣,而且他们可能的替代品,因为他们有改进的机械和化学性质相比,虽然不吸湿。电容器装置的测试表明,数控电影潜力电容器的制造,数控电影是一个很好的介电材料。

从棉花纤维素提取。杂质被沸腾的样品在0.75 N的解决方案3小时;在这段时间之后,氢氧化钠溶液取代一个新的,和纤维素又煮了三个小时( 10]。后,纤维素与蒸馏水,直到彻底冲洗过滤水的pH值保持中立。然后,纤维素被商业NaOCl 1.5 h在45°C。后,纤维素与大量的蒸馏水清洗。然后,一夜之间被纤维素与HCl 0.05 N为了去除半纤维素。后,纤维素是用蒸馏水洗净,允许在烤箱干50°C。最后,干燥和净化的纤维素在威利厂使用20目筛。

纤维素粉是用来制造数控。一克纤维素被放置在一个玻璃反应堆17.5毫升的H₂所以₄64 wt %,并允许在45°C反应了45分钟。反应后,解决方案是用冷蒸馏水稀释10倍,并允许定居;后,上层的丢弃。然后,再稀释,过程是重复。收集到的纤维素纳米晶体是透析到废水的pH值保持不变或中性的。使用超音速净化纳米晶体是用Vibra-Cell VCX 750超声发生器,在65%输出,直到形成胶态悬浮体。最终的解决方案是使用绘画纸玻璃微纤维过滤器过滤,去除杂质的引入在声波降解法。数控悬架又透析了2天。最后,数控悬架与甲苯飙升,以避免细菌生长。数控悬架放置在一个化学冰箱。 Aliquots of the CNC sample were taken and dried in an oven in order to determine gravimetrically the concentration of the CNC suspension. The measured concentration was 0.45 wt%. CNC films were prepared with the CNC suspension. About 60 mL of CNC suspension was placed in a beaker; then, the suspension was sonicated in a Branson sonicating bath for 5 minutes, and then, it was degassed for 10 minutes to avoid bubble formation on the surface of the film, as the bubbles would produce inhomogenous surfaces that would facilitate the pass of the electrical current. Then, the CNC suspension was placed on a Petri dish and dried in an oven at 50°C until completely dried, and then, they were placed in a desiccator to avoid exposition to environmental moisture. To make flexible CNC films, a drop of glycerol was added to CNC suspensions, stirred for 1 hour at 40°C, and then dried at 50°C in an oven.

使用数控电影电容器设备进行了测试。铝(Al)和数控表(图 1)以下尺寸: 长度 = 30. 毫米(铝、数控)和 宽度 = 10 毫米(Al)和15毫米(CNC)。预处理的Al表是由抛光有两个等级的金刚砂纸(600和1200)。美联表是用蒸馏水洗净,用甲醇脱脂,干在室温(23°C)。铝的厚度表与三丰公司数字千分尺测量。三个测量纸张。平均值测量,发现是0.095毫米(95 μ米)。电容器构造如图 1。

加工中心的特点是几个意思。红外光谱的表征表明,数控样品都特点乐队通常出现在纤维素。这些乐队对应哦,C-O-C, CH组。结果总结在表 1。

表 1表明,数控示例包含纤维素的主要组(CH₂,CH,哦,和C-O-C);这表明,样品的介电行为应该与纤维素相似。哦组的存在也应该发挥间接作用于纤维素薄膜的介电行为,因为他们帮助确认加工中心在酸的形式。没有中和或添加电解质是数控的样本,所以只有哦和硫酸盐团体应该对样本。哦和硫酸盐团体贡献的氢键数控样本,氢和氧的原子。氢键导致结晶度、疏水性和机械性能的样品干燥后酸上的数控悬浮液形成不能溶解了。数控电影不吸收水分,他们也没有再溶解。

数控电影的形态图所示 2。数控电影(数据 2(一个)和 2 (b))显示的表面有一些特性,通常拉长,狭窄。这些特性看起来像棒,但在测微的规模。剩下的大部分表面均匀,光滑。表面光滑,伸出细长的数控电影的特点。山的高度使用Gwyddion观察样本的测量,和结果 593.7 纳米 ± 30.8 纳米 。山的长度 10.28 μ 米 ± 0.82 μ 米 ,而直径 1939年 纳米 ± 107.4 纳米 。纳米晶体的尺寸形成这部电影被报道在文献[ 11];他们是 98.5 纳米 ± 5 纳米 在长度和 4.7 纳米 ± 0.2 纳米 直径。数据 2 (c)和 2 (d)显示与甘油数控样品的表面。样品表面光滑,一些功能表面看起来像山;他们形成由于样本的灵活性。也有一些小rodlike特征对样本。样品的形态与甘油缺乏特性存在数控电影成像数据 2(一个)和 2 (b)。

数据 3(一个)3 (d)的2 d和3 d图像数控电影干燥后形成一个5 wt %数控样本。这个数字很有趣,因为电影上有功能指向一个优先方向,特别是在数字 3 (c)和 3 (d)。在最后这两个人物,有面向线的方向相同,它们之间主要是平行的。线出现在样例是由于聚合物链的顺序形成的材料;行是指向的方向杆轴数控的 12]。平均线之间的分离 708.87 纳米 ± 82.75 纳米 。据报道,干电影由数控悬浮液保持原文的结构和方向悬挂( 13]。在这种情况下,样本被暴露在一个磁场,所以Freedericksz过渡发生和数控棒下令在一条直线,而不是形成手性向列相。数据 3(一个)和 3 (b)在聚合物薄膜的表面显示功能,可以看到以下提到的特性,在中心和右边的图 3(一个)。这些对象是加工中心的城市群;它们凝聚在数控的电影。数据的聚集有择优取向 3(一个)和 3 (b);取向是直线,观察到的数据的特性 3 (c)和 3 (d)。团聚体的尺寸测量Gwyddion;长度是 1144.98 纳米 ± 49.08 纳米 ,而直径 477.78 纳米 ± 17.88 纳米 。从图 3,我们可以推断,电场的影响调整和纳米晶体的取向造成的。纤维素衍生物羟丙基纤维素(HPC)所示化合物有文学面向线当受到机械应力或当浓度达到临界浓度( 12, 14]。HPC /聚丙烯酰胺(HPC / PAAm)复合材料已被用于药物输送使用布洛芬;他们表现出布洛芬晶体表面上,类似于晶体如图 3(一个)和 3 (b)( 14]。纤维素衍生物羟乙基纤维素(HEC) /聚丙烯酰胺(HEC / PAAm)复合材料也被用于药物输送和乙酰水杨酸作为一个活跃的化合物( 15]。乙酰水杨酸形成晶体沉积HEC / PAAm复合表面( 15];所示的水晶晶体也有相似之处 3(一个)和 3 (b),尽管晶体形成的活性化合物,如布洛芬在HPC / PAAm的而不是纤维素化合物。

图 4显示的资料5 wt %的数控电影和电影。从AFM显微图获得这些资料,使用Gwyddion软件。数控的电影人物 4(一)的平均身高312海里。平均直径测量是2.408 μm。高度之间的差异的概要文件和图像的结果可能是由于一个事实,即概要文件以一条直线在图像跟踪,而高度测量直接在图像上考虑尽可能多的“凸起”。数控的电影获得5 wt %悬挂,示例如图的形象 4 (b);此配置文件对应的数据如图 3(一个)和 3 (b)。团聚体是位于左侧图像的概要文件的一部分。团聚体的高度 88.71 纳米 ± 17.05 纳米 ,而测量直径 1268.12 纳米 ± 195.58 纳米 。不同的测量直径相对于那些图 3(一个)是长度测量从这个概要文件被追踪线形成一个角度接近45°,所以它覆盖尽可能多的聚集以及衬底如图 3(一个)。直径测量的概要图 4接近一个直角三角形的斜边的测量, c 2 = 一个 2 + b 2 使用长度和直径测量图的值 3(一个)。层的厚度进行了测量,发现了一个高原概要;这个高原是最低的团聚体的一部分。层的平均厚度测量 156.11 纳米 ± 4.85 纳米 ,层的平均身高为244.82 nm。

综述了纤维素在表的电行为 2。数控样本类似电介质的介电强度工业纸。数控样本没有添加剂;有趣的是,其绝缘强度匹配工业介质纸的价值。发现数控电影的湿度降低绝缘强度;为了避免湿度对样品,数控悬浮液在烤箱干5天,然后放在干燥器;如果这些步骤没有完成,湿度进入数控电影。含水率影响绝缘材料的行为( 16]。论文的绝缘强度减弱的甘油。甘油的作用是增加的灵活性数控的电影,因为它们是脆弱的纯态。我们观察到数控电影与甘油更灵活和更少的脆弱,但介电强度减弱有意义的。这是由于甘油的存在,塑化的影响数控电影;塑化剂化合物增加聚合物链的流动性。认为增塑剂嵌入聚合物链之间,增加了自由体积。数控链之间的塑化的存在使得电力的道路变得更加容易。在我们的发现中,甘油干扰数控的介电性能,始终与理论方面的考虑。

与CNC数控电影制作解决方案5 wt %的浓度也有一个低的介电强度。数控是安排在高浓度的螺旋状的模式,形成手性向列相。当一个电场存在时,纳米晶体倾向于在一个给定的方向保持一致,没有形成螺旋状的模式;这是由于Freedericksz过渡。试图形成一个电影的数控高度集中的解决方案是旨在避免手性向列模式和统一定向的晶体,从而减少电流的概率通过聚合物链。然而,在我们的研究中,电介质强度低于纯数控的电影。我们认为结果可能解释为电场的面向晶体,易磁化方向的对齐。然而,手性向列相可能使电流的通过电影中的困难,每一层都有一个定位,旋转对邻层。层的旋转使当前的反弹方向不同的前层,使电流通过一个更长的长度,而不是面向均匀的晶体,在偏差的角度将低于造成的偏差角手性向列相。这是见图 5;图 5(一个)显示了通过电流的纤维素纳米晶体化合物,具有手性向列安排。纤维素纳米晶体被保留手性向列安排在干燥( 17, 18]。胆甾醇的阶段有层扭曲的相邻层,从而使不同方向的材料;这迫使电流影响发现区域提供抵抗电流的通过。另一方面,数字 5 (b)显示了一个水晶与远程定位,没有转折。晶体取向方向相同,有少偏差,从而抵抗电流的通过。

绝缘强度的结果可能感兴趣的电子行业,加工中心可以形成化合物工业电介质的介电强度相同的纸,但是改进的机械和化学性能,作为加工中心的高结晶度提高了这些属性。灵活的化合物由CNC,保留介电性能,将是一个新材料工业利益。加工中心是一个很好的改善和替换当前的纸介质材料的部分,他们使用产品的能源部门。

水晶干电影的安排使用偏振光学显微镜研究了;图 6显示了一个形象的电影crosspolarizers下观察。示例显示彩虹色,典型的纤维素纳米晶体( 19]。彩虹色的样本被视为不同的颜色在图像;他们是由电影的纤维素纳米晶体引起的,这与显微镜的光,虽然样品没有显示任何一个手性向列相的模式特征。的浓度开始下面的解决方案是手性向列相的浓度的价值形式。然而,观察到的特性在图像的纹理像油性条纹,纹理上发现纤维素衍生物手性向列相;这表明,在干燥期间,有一个顺序的纤维素纳米晶体。

图 7显示了一个数控电影形象的观察到不同角度的入射光。影片显示了数据中可以看到彩虹色 7(一), 7 (b), 7 (d),不同的颜色反映了表面的电影,这是在数字 7 (c)和 7 (d)。这表明,在干燥、纤维素纳米晶体有时间进行自组织,有序安排,建设性的彩虹色显示结果光干扰造成的命令纤维素纳米晶体在电影( 20.]。还有其他文献中报道的彩虹色数控电影干聚苯乙烯培养皿( 13, 21]。观察到的彩虹色和不同颜色干膜确认的纤维素纳米晶体膜有一个有序排列,否则这部电影是无色的,没有干扰,不会显示不同颜色光的角度是不同的。干膜的纤维素纳米晶体的顺序会影响数控电影的绝缘强度。

图 8显示了纤维素样品的热降解行为。数控电影样品损失6%的湿度在100°C;这湿度由于nonevaporated水被困在聚合物层。样品加热保持稳定并开始降低在250°C;在这温度之前,没有明显的降解纤维素纳米晶体。发病的温度数控电影类似于样品中观察到文学( 22]。观察到的退化行为是典型的纤维素( 23和纤维素衍生品 24),大幅降低的温度开始下降,然后达到一个高原。在400°C,残留在11%左右,这主要是由于残留纤维素的分解产物,左旋葡聚糖( 25]。然后在加热分解;左旋葡聚糖然后,它开始慢慢地在低分子量的碳氢化合物分解,直到最后到达另一个高原在750°C的分析;最后残留是3.27%。TGA表明有一些湿度对这部电影。湿度的影响降低了介电强度( 11),膜内的水分子打开一个电流的路径。绝缘强度可能会提高如果电影的湿度降低。TGA的纸介质相同的图所示。样品在280°C开始降低;然后,它遵循一个退化过程典型的纤维素样品( 23),到达高原在380°C。最后残留在22 wt %。介质的减肥是减肥的速度比数控电影,作为数控样本显示一个更复杂的热行为由于硫酸组表面的数控晶体。在更高的温度下绝缘纸降解;数控降解较低温度,硫酸组数控是不稳定的,但介电纸张添加剂改善其性能在电力变压器和电力变压器承受的温度;这就是为什么绝缘纸的残渣高于数控的样本。

图 9显示了扫描电子显微镜照相术纯数控电影和在不同的处理。图 9(一个)显示了扫描电子显微镜照相术纯数控的电影。这部电影有一个表面覆盖的棒由数控粒子,这样子棒AFM在图所示 2。扫描电子显微镜照相术确认测微的棒在膜表面的存在。使用Gwyddion棒的尺寸测量软件,和长度 5.68 μ 米 ± 0.34 μ 米 ,而直径 671年 纳米 ± 19.94 纳米 。尺寸测量的扫描电镜低于通过AFM。这可以解释为扫描电镜获得的尺寸通常是由于一些低影响的卷积和之间的交互AFM,膜表面,和粒子产生的扩大成像粒子( 26]。大小的差异可能是由于不同地区的样本被成像。

图 9 (b)显示的扫描电子显微镜照相术数控电影与甘油。电影主要是光滑的表面,没有燃料棒观察数控电影。一些功能也观察到表面上,由于电影的灵活性。特性观察小线条和槽的电影。

图 9 (c)显示5 wt %的扫描电子显微镜照相术数控电影。这部电影看起来像图的AFM图像 3。平行线也观察到表面的电影,像那些观察图 3 (c)。表面上,可以看到一些聚集在显微照片的右下角,像那些观察图 3(一个)。SEM图像证实了图中观察到的特性 3。在图的方向线 9 (c)使用箭头标记。

图 9 (d)显示了数控的边缘电影的显微图和图 9 (e)数控的边缘5 wt %。分别这些数字对应的样本数据 9(一个)和 9 (c)。电影被削减,然后把碳带。电影的厚度可以从图获得。5 wt %示例,膜的厚度是175 μm;数控的样品,厚度是29 μm。电影的厚度差的原因是样品的浓度用于蒸发。浓度等因素,体积,和样品制备报告文学影响和决定数控电影的厚度( 27]。这个概要文件的样本数控5 wt %是有趣的,因为边缘显示平行线,平均1.97的分离 μm。平行线是由数控粒子层的顺序出现在轴垂直于膜的表面。数控样本显示粒子边缘电影的顺序( 28];手性向列相的顺序加工中心可以观察到更高的放大的边缘电影( 28]。我们集中的电影,加工中心不安排在一个手性向列相,但样品的调整是在一个给定的方向,作为一个磁场应用于样品。线条图上观察到的一面 9 (e)平行于膜的表面,这表明取向轴是垂直于表面( 28]。

为了证实一个数控薄膜具有良好的介电能力,建立了电容式塑料薄膜。塑料薄膜电容器有塑料薄膜和金属表点缀和特征,使其适用于各种应用程序:过滤、解耦,绕过,EMI抑制,脉冲耦合、阻塞和平滑 29日]。塑料薄膜电容器非常稳定在宽温度范围内具有良好的可靠性和长寿命( 30.]。

图 10显示设备的奈奎斯特图。在高频值,观察部分capacitive-like抑郁半圆(插入图)。半圆的结合的结果是一个阻力;在这种情况下,极化电阻,电荷转移电阻之和在金属/数控接口总电容并联,功放的总和在接口说。同时,这个半圆已经关联到一个电极表面与孔隙等缺陷( 31日]。在低频段,另一个观察的行为;一条直线斜略虚轴。这种行为是指示性的好设备的能力来存储电荷在电极表面( 32]。

一个等效电路(图 10插图)被用来模拟阻抗数据。电路中, R 欧姆 是欧姆电阻电阻相关损失的设备主要是由于接触电阻之间的接口( 33]。这个电阻部分半圆与实轴的交点( Z ′ )在高频率; C T 是总电容, R p 极化电阻(部分半圆的交点在中间频率),最后, W 是华宝阻抗,它被用来模拟行为观察到低频率。而不是一个电容元素( C ),固定相的元素(CPE)数据的一个更好的选择,因为电极的表面是不均匀的 34)(粗糙度、混乱、杂质等)( 35]。并给出了模拟的参数值表 3。

极化电阻的比较高的值表明电极表面的电荷积累有很大的困难被插入或删除从介质阻挡( 36]。这种验证数控有能力作为介电材料,可用于这种类型的应用程序。

图 11显示了循环伏安法(CV)曲线的设备在不同扫描速度:10 mV / s, 20 mV / s, 50 mV / s。所有的简历曲线表现出quasirectangular形状,表明电极材料和数控电影在电容器由于其表演(有潜在应用 37, 38]。最佳的性能根据曲线的形状与扫描速率获得50 mV / s。较低的扫描率(10 mV / s和20 mV / s),曲线的形状稍微远离矩形移动。这种行为可能是由于一个感应电流的电容 39和电子转移过程 40),在这种情况下是有限的在10 mV / s和20 mV / s。

在介质中,观察数控的行为类似,在高频率和部分capacitive-like半圆quasivertical中低频率(图 12)。然而,极化电阻(2278 kohms /厘米高²)而获得的价值(37.47 kohms /厘米²)的数控设备。这种行为可能表明介电纸表面缺陷少相比,数控设备及其功能障碍是更有效率。然而,极化电阻的值和能力积累电荷在电极表面的材料是首选为不同的应用程序。图的等效电路 12被用来模拟阻抗数据。并给出了模拟的参数值表 4。

图 13显示设备的简历曲线与纸介质10 mV / s, 20 mV / s, 50 mV / s。所有的简历曲线表现出quasirectangular形状非常相似,观察与数控50 mV / s。在这种情况下,感应电流的电容和电子转移过程并不局限在不同的扫描率。

新材料在电力行业的发展打开了机会来改善设备和机器的电力系统。数控的电影是一个不错的选择作为介电材料在能源领域,由于其良好的机械和热性能。数控电影显示的绝缘强度的值等于工业绝缘纸,表明加工中心可能是一个材料用于制造绝缘部分。数控电影可以减少其厚度四次,机会是打开特别获得插槽的横截面积小的旋转机器。可用面积槽越多,机器的效率更高。在制作电影,应该有护理操作的电影,和周围的气氛,水分会降低绝缘强度。甘油降低脆弱性的电影,但它降低了介电强度的值。一个电场集中的影响电影的绝缘强度降低的价值数控电影。绝缘强度可能改善是否用于制造的数控加工中心。电影的内容的水分; if the value of humidity was lower, the dielectric strength of the material may be higher. The films showed iridescence; this suggests that the cellulose nanocrystals were ordered in the dry state. This phenomenon may increase the dielectric strength of the CNC films, as it makes the electrical current to find clearer zones for it to pass. The film synthesized from a 5 wt% suspension and exposed to an electrical field had an oriented morphology; however, its dielectric strength was lower than that of the CNC film. It is theorized that the layered orientation of the CNC films will make the pass of the electrical current difficult. SEM characterization confirmed the results of AFM, with some rods observed on the CNC films; the thickness of the films could be measured using this technique. The arrangement of the layers of CNC particles of the 5 wt% film could be observed by SEM, suggesting that the axis is arranged perpendicularly to the surface of the film. The results of the capacitor device suggest that CNC films have potential for capacitor fabrication and that the films are a good dielectric material. The best performance of the devices was obtained using a scan rate of 50 mV/s, with a deviation of a rectangular shape at lower scan rates, a behaviour caused by faradaic capacitance and by electron transfer processes.