Биоразлагаемые полимеры, их особенности и области применения. «Полимерная» электроника и полимеры для диэлектриков пленочных конденсаторов.
Ухудшение экологической ситуации в мире привело к ужесточению требований к охране окружающей среды, в том числе в индустрии производства органических полимеров и материалов, получаемых сополимеризацией (более подробно о сополимеризации в предыдущем материале цикла). Сегодня в приоритете производство биоразлагаемых полимеров, которые представляют собой экологически чистую альтернативу традиционному пластику и предназначены для естественного разложения в природной среде.
К наиболее известным биоразлагаемым полимерам относят полимолочную кислоту (рolylactic acid – PLA), получаемую из возобновляемых ресурсов (кукурузный крахмал, сахарный тростник) и известную универсальностью и технологичностью, а также полигидроксиалканоаты (рolyhydroxyalkanoates – PHA), продуцируемые микроорганизмами.
В конденсаторостроении наблюдается тренд перехода на биоразлагаемые компаунды на базе термореактивных смол, хотя полимерная пленка для металлизированных (и металло-фольговых) конденсаторов пока по-прежнему изготавливается из «традиционных» полимеров. В основном это обусловлено достаточно жестким контролем в развитых странах за утилизацией отработанных конденсаторов, а также технологической сложностью изготовления пленок диэлектрика с заданным пакетом физико-химических и электрических характеристик из биоразлагаемых материалов.
«Полимерная» электроника и полимеры для диэлектриков пленочных конденсаторов
Сопряженные полимеры (с донорными и акцепторными мономерами) произвели революцию в области электроники, позволяя создавать компактные и легкие электронные устройства – фотоэлектрические элементы, органические светодиоды (OLED), органические транзисторы, пленочные металлизированные конденсаторы и др. Уникальные свойства сопряженных полимеров, включая их электропроводность, оптические свойства и механическую гибкость, делают их незаменимыми в области электронных технологий и наглядные тому примеры:
- органические фотоэлектрические элементы (сленг – солнечные батареи), где сопряженные полимеры используют для преобразования солнечного света в электрическую энергию;
- OLED-дисплеи на органических светодиодах, излучающих свет при подаче электрического тока;
- пленочные конденсаторы, в которых благодаря очень тонким слоям диэлектрика удается выйти на значительную плотность энергии и, кроме того, увеличить срок службы за счет эффекта самовосстановления (после локального пробоя) и т.д.
С развитием современных систем питания и электронных устройств все большее внимание уделяется разработке конденсаторов большой емкости и высокой плотности энергии, а пленочные конденсаторы с полимерным диэлектриком, известные своими возможностями быстрой зарядки и разрядки, самовосстановлением, компактностью, малым весом, широко используются в областях электротехники и электроники. По сравнению с неорганической керамикой конденсаторы с диэлектриком на основе полимеров имеют ряд преимуществ, в том числе высокую прочность на пробой, минимальные диэлектрические потери, простоту изготовления и экономичность, а потому пока лидируют по востребованности для применения в гибридных электромобилях, микроэлектронных системах, ветроэнергетике, передаче электроэнергии, радиосвязи, а также подземной разведке нефти и газа.
Поиск диэлектриков с высокой плотностью накопления энергии стал центральным направлением современных исследований, однако в полимерах достижение, как высокой прочности на пробой, так и надежных поляризационных характеристик оказывается сложной задачей. Поэтому сегодня исследования сосредоточены в основном на трех направлениях – создание заполненных композитных диэлектриков, разработка конструкций слоистых композиционных диэлектриков и синтез новых полимеров.
Наполненные композитные диэлектрики создают включением в полимерную матрицу различных наполнителей – керамики, оксидов металлов, проводящих материалов, а этот процесс усиливает поляризацию границы раздела и повышает диэлектрическую проницаемость композитов, хотя и снижает прочность на пробой. Примечательно, что размер наполнителей играет существенную роль в формировании конечных свойств, причем наноразмерные наполнители встречаются чаще, чем микроразмерные, а для достижения более высокой диэлектрической проницаемости в композитах требуется значительное количество неорганического наполнителя, что создает проблему – высокое содержание оксидов неорганических металлов может поставить под угрозу эластичность и технологические свойства полимера.
Слоистые композитные диэлектрики – полимеры, расположенные в виде сэндвич-структуры, а слои с высокой диэлектрической проницаемостью укладываются на слои с высокой прочностью на пробой. Синтез новых полимеров пока достаточно ограничен, а потому основное внимание разработчиков и производителей пока уделяется модификации линейных и нелинейных диэлектриков на основе полимеров, каждый из которых обладает уникальными преимуществами и потенциалом в аспектах наполнения, сополимеризации, формирования многослойных структур.
Об особенностях линейных, нелинейных диэлектриков-полимеров в следующем материале цикла.
