Močno povečanje električne prebojne trdnosti v ustrezno usklajenih polimernih zmeseh

Eden glavnih izzivov pri razvoju materialov za sisteme za shranjevanje energije je doseganje visoke energijske gostote ob ohranjanju nizkih dielektričnih izgub. Kompozitni pristop, kjer so prevodni delci razpršeni v dielektrični matriki, učinkovito poveča dielektrično konstanto, a tudi poveča izgube. Alternativni pristop je delovanje pod visokimi električnimi polji, torej povečanje električne prebojne trdnosti (E_b) brez povečanja dielektrične konstante.

Fenilne skupine so temeljne komponente verig mnogih visokotemperaturnih polimerov in, odvisno od molekularne strukture polimera, lahko delokalizirani elektroni v teh skupinah izkazujejo delno pozitiven ali negativen naboj. S sintezo iz raztopin smo pripravili zmesi polieterimida (PEI) in poliimida (PI) in izvedli njihovo obsežno dielektrično karakterizacijo. Demonstrirali smo znatno povečanje E_b v zmeseh zaradi močnih elektrostatskih interakcij med različnimi polimernimi verigami; PEI namreč vsebuje tri negativno nabite fenile, PI pa dve močno pozitivno nabiti fenilni skupini. Elektrostatske interakcije (i) močno zmanjšajo število prostih nabojev in (ii) vodijo do veliko večje gostote pakiranja verig v zmeseh. Ker električni preboj povzročijo prav prosti naboji, ki jih zunanje električno polje pospeši v šibkih točkah, tj. prazninah v sistemu, obe lastnosti prispevata k povečanju E_b. Mešanje ustrezno usklajenih polimerov se je tako izkazalo kot izjemna strategija za izboljšanje dielektričnih lastnosti polimernih sistemov.

Objavljeno v: Vida Jurečič, Nikola Novak, Lovro Fulanović, Vid Bobnar, Space charge contributions to the dielectric response and breakdown strength of high-temperature polyetherimide/polyimide blends, Macromolecules 56, 1097 (2023).