Hebei Messi Biology Co., Ltd. hat flockiges Magnesiumoxidpulver hergestellt, modifiziert und als anorganischen Füllstoff eingesetzt. Ziel ist es, durch experimentelle und Simulationsstudien die Energiespeicherdichte bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen von zwei Verbundwerkstoffen auf PVDF- und PEI-Basis zu verbessern. Die vorliegende Arbeit analysiert die Gründe für die Leistungsverbesserung. Die wichtigsten Forschungsinhalte sind:
Flockiges Magnesiumoxidpulver wurde durch hydrothermale Synthese in Kombination mit Kalzinierung hergestellt. Mit der Zielfeldstärke des Verbundwerkstoffs wurden die optimale Hydrothermalzeit und Ammoniakkonzentration für die Herstellung von flockigem Magnesiumoxidpulver (24 h bzw. 20 Gew.-%) mithilfe der Einfaktor-Testmethode optimiert. Das hergestellte Magnesiumoxidpulver war flockig mit einer lateralen Ausdehnung von ca. 400 nm und einer Dicke von ca. 40 nm. Bei einer Pulverzugabemenge von 2,8 Gew.-% erreichte die Energiespeicherdichte des hergestellten flockigen Magnesiumoxid/PVDF-Verbundwerkstoffs bei Raumtemperatur 16,9 J/cm³ und übertraf damit 80 % der PVDF-Matrix. Dies deutet darauf hin, dass flockiges Magnesiumoxid die Energiespeicherdichte des Materials verbessert. Mit PEI als Matrix wurde der Einfluss der Zugabe von flockigem Magnesiumoxidpulver auf die Energiespeicherdichte von PEI-basierten Verbundwerkstoffen in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Energiespeicherdichte des Verbundwerkstoffs mit steigender Temperatur abnimmt. Bei einer Zugabemenge von 3,4 Gew.-% Magnesiumoxid ist die Energiespeicherdichte von Magnesiumoxid/PEI-Verbundwerkstoffen bei 25 °C und 150 °C besser und beträgt 5,54 J/cm³ bzw. 3,79 J/cm³. Da Magnesiumoxid schlecht mit der PEI-Matrix kompatibel ist, nimmt die Durchschlagfeldstärke mit steigender Temperatur deutlich ab. Zu diesem Zweck wurde der Silan-Haftvermittler KH550 verwendet, um die Oberfläche von flockigem Magnesiumoxidpulver zu modifizieren. Der optimale Gehalt des Modifikators wurde mittels Einzelfaktor-Testmethode mit m(KH550):m(Magnesiumoxid) = 3:100 ermittelt. Bei einer Zugabemenge von 3,0 Gew.-% modifiziertem flockigem m-Magnesiumoxid konnte die Energiespeicherdichte von m-Magnesiumoxid/PEI-Verbundwerkstoffen bei 25 °C und 150 °C 6,10 J/cm³ bzw. 5,18 J/cm³ erreichen, was 10 % bzw. 8 % mehr als vor der Modifizierung ist. Dies zeigt, dass KH550 ein wirksamer Modifikator zur Verbesserung der Energiespeicherdichte und Temperaturstabilität von Magnesiumoxid/PEI-Verbundwerkstoffen ist. Der Grund dafür liegt darin, dass -NH₂ und -OC₂H₅ von KH550 Wasserstoffbrücken mit den Hydroxylgruppen an der Oberfläche von Magnesiumoxid- bzw. PEI-Molekülen bilden, was die Kompatibilität organischer und anorganischer Zweiphasenmaterialien verbessert.
Die Verteilung des elektrischen Feldes im plättchenförmigen Magnesiumoxid/PVDF-Verbundwerkstoff wurde mithilfe der Multiphysik-Software COMSOL mittels Finite-Elemente-Simulation visualisiert. Der Einfluss von Menge und Größe des plättchenförmigen Magnesiumoxids sowie seiner Orientierung und Dispersion in der PVDF-Matrix auf die Verteilung des elektrischen Feldes im Verbundwerkstoff wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Menge an plättchenförmigem Magnesiumoxidpulver die Durchschlagsfeldstärke des plättchenförmigen Magnesiumoxid/PVDF-Verbundwerkstoffs zunächst zunimmt und dann abnimmt. Die optimale Pulverzugabemenge ist entscheidend: Je größer die laterale Ausdehnung des plättchenförmigen Magnesiumoxidpulvers und je geringer die Pulverdicke, desto höher die Hochspannungsfestigkeit des Verbundwerkstoffs. Wenn der flockige Magnesiumoxid-Füllstoff parallel zur elektrischen Feldrichtung verteilt ist, ist die Hochspannungsfestigkeit des Verbundwerkstoffs gering. Je gleichmäßiger die Verteilung des flockigen Magnesiumoxid-Füllstoffs in der PVDF-Matrix ist, desto besser ist die Hochspannungsfestigkeit des Verbundwerkstoffs. Die Simulationsergebnisse bestätigen die experimentellen Forschungsergebnisse zum flockigen Magnesiumoxid/PVDF-Verbundwerkstoff.