Respuesta elastomecánica RF mejorada en hidrogeles PNIPAm con nanopartículas BaTiO3 dopadas KF mediante dinámica Maxwell-Wagner-Sillars

Resumen

Se investigan la dinámica Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) y la actuación electromagnética de radiofrecuencia (RF) del cambio de fase volumétrico en un compuesto polimérico híbrido consistente en hidrogel suspendido con nanopartículas de alta-k. Hidrogeles poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAm) se combinaron con 10% nanopartículas de titanato bario dopadas KF (Ba_0.9K_0.1TiO_2.9F_0.1, KBT) con propiedades dieléctricas altamente anisotrópicas usando poli(alcohol vinílico) (PVA) para formar compuesto nanopartícula-hidrogel. Mientras adición PVA a síntesis mantiene fuerte transición fase volumétrica con características polarización y relajación similares PNIPAm bulk estándar, adición nanopartículas KBT resulta en transición fase volumétrica reducida y polarización MWS debido a apantallamiento carga interacciones intramoleculares. Nanopartículas añadidas y proceso síntesis modificado mejoraron permitividad dieléctrica bulk PNIPAm, aumentaron conductividad RF hasta 7×, y disminuyeron calor específico manteniendo transición fase volumétrica discontinua. Antena RF emitiendo 544 kHz solo pudo actuar cambio fase compuestos con síntesis modificada versus PNIPAm bulk. Tasas calentamiento medidas fueron 3× mayores PNIPAm no modificado.

Introducción

Uso estímulos externos en polímeros basados hidrogel para controlar sus propiedades físicas, especialmente térmicas, ha sido tema gran interés en industrias optoelectrónica [1], biomédica [2], y materiales [3]. Hidrogeles poli-N-isopropilacrilamida (PNIPAm o PNIPA) son polímeros gran interés debido su capacidad sufrir transición fase volumétrica reversible [4,5,6,7]. Porque hidrogeles basados PNIPAm pueden potencialmente usarse tejido artificial [8], actuadores/interruptores [9], y sistemas administración fármacos [4, 7], propiedades dieléctricas y efectos campos eléctricos o electromagnéticos externos son gran importancia. Modulación luz UV-visible PNIPAm tiene aplicación limitada debido baja profundidad penetración luz medio dieléctrico dispersivo ópticamente.

Capacidad radiofrecuencia (RF) penetrar profundamente materiales permite inducción remota transición fase volumétrica. Exámenes dieléctricos RF realizados múltiples formulaciones hidrogeles PNIPAm revelaron similitud general agua permitividad dieléctrica RF, pero fuerte variación propiedades pérdida dieléctrica [10,11,12]. Combinación PNIPAm con nanopartículas dieléctricas high-k podría mejorar respuesta electromagnética RF, acelerando transición fase inducida RF. Un híbrido hidrogel propuesto PNIPAm polímero incrustado nanopartícula dieléctrica high-k ha sido sintetizado y exhibe mejora constante dieléctrica y conductividad. Propiedades mesoscópicas compuesto muestran viabilidad nuevo sistema hidrogel susceptible RF.

Aplicaciones PNIPAm van desde biomédica [13, 14] hasta fotónica [15], ya que transición fase puede inducirse mediante foto [16, 17], térmica [17], eléctrica [18], pH [13], o química [19] estímulo. Hidrogeles PNIPAm térmicos exhiben transición fase discontinuo glóbulo-bobina ~33 °C, temperatura crítica solución inferior (TCSI). Debajo TCSI, ocurre unión entre solución acuosa y cadenas polímero, produciendo gel hinchado, hidrofílico. Arriba TCSI, enlaces reordenan debido entropía mezcla, agua expulsada red polímero y gel se encoge y vuelve hidrofóbico. Cambios volumétricos más 10× pueden lograrse fácilmente hasta 90% solución líquida expulsada red polímero [20,21,22].

En radiofrecuencias, nanopartículas titanato bario dopado KF (Ba_0.9K_0.1TiO_2.9F_0.1, KBT) exhiben propiedades dieléctricas atractivas [23,24,25]. Cristales y cerámicas KBT sintetizados usando proceso sol-gel a 650 °C, y calcinados rango 650-1000 °C exhiben alta permitividad dieléctrica temperatura ambiente con baja pérdida. Permitividad dieléctrica pica ~10.000 a 47 °C y ~7000 alrededor TCSI PNIPAm tanto cerámicas como cristales únicos. Estas propiedades hacen KBT combinación ideal PNIPAm formar compuesto mayor respuesta RF comparado hidrogel bulk convencional.

Propiedades Mesoscópicas Compuestos

Propiedades mesoscópicas sustancias iónicas pueden sondearse eficazmente usando espectroscopía dieléctrica. Examen permitividad compleja ϵ* = ϵ' − iϵ", conductividad compleja σ* = σ' + iσ", y otros factores derivados pueden revelar mecanismos relacionados transporte carga [26] y estructura molecular [27] entre otras propiedades [28,29,30,31]. Modificación proceso síntesis compuestos este trabajo aimed mantener cambio fase volumétrica hidrogeles basados PNIPAm mientras mejoraba responsividad dieléctrica actuar cambio fase volumétrica usando RF. Sin embargo, sustancias polares examinadas rangos frecuencia este trabajo comportan como sistemas heterogéneos sujetos efectos polarización interfacial, incluyendo polarización electrodo y polarización Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) [32].

Mientras polarización electrodo casi exclusivamente debida nanocapa acumulación carga afecta impedancia medida y revela poco propiedades mesoscópicas sustancia, MWS relacionado mecanismos relajación molecular [33], difusión carga [33], microdominios resultan polarización [33, 34], y polarización contraión con movimientos cadena molecular [30, 33]. Generalmente, polarización electrodo ocurre más fuertemente rangos baja frecuencia debajo 10 kHz o así. Su firma generalmente asociada fuerte aumento parte real permitividad, ϵ', y correspondiente mínimo σ'' [30].

Respuesta dieléctrica KBT suspendido hidrogel basado PNIPAm investigada usando espectroscopía dieléctrica. Formas bulk [35], micro [11], y nano [36] hidrogeles PNIPAm mantienen propiedades transición fase similares. Estabilidad química KBT proceso síntesis polímero motivó uso bulk PNIPAm como hidrogel elección. En este trabajo, polímero hidrogel dopado dieléctrico high-k realizado usando 10% nanopartículas KF-dopado BaTiO₃ calcinadas 800 °C. Propiedades físicas este material, como constante dieléctrica, pérdida, y conductividad RF para factibilidad modulación RF, reportadas y comparadas PNIPAm polimerizado radical libre usando espectroscopía dieléctrica. Mejora propiedades dieléctricas estimada basada potencial mayor responsividad RF, específicamente rango 0,1-1,0 MHz. Resultante calentamiento RF y efectos proceso síntesis modificado susceptibilidad RF reportados y discutidos a continuación.

Resultados y Discusión

PNIPAm Bulk

Hidrogel poli(N-isopropilacrilamida) bulk formado usando polimerización radical libre sirve material base todos compuestos este trabajo y presentado referencia. Características dieléctricas significando inicio polarización electrodo versus MWS aún tema investigación. Propiedades dieléctricas netas medidas, trabajos recientes indican inicio polarización electrodo (PE) ocurre cuando ϵ'(f) empieza mostrar meseta saturación mientras pico simultáneo ϵ''(f) presente [37]. MWS, sin embargo, indicado punto inflexión aumento ϵ'(f) coincide pico ϵ''(f).

Figura 1 representa comportamiento dieléctrico bulk PNIPAm a 27 °C, 33 °C cerca temperatura transición fase, y 37 °C. Claro Fig. 2 no mesetas ϵ'(f) resueltas rango frecuencia estudiado este trabajo bulk PNIPAm. Como inicio PE indicado meseta saturación ϵ'(f), no contribuyente significativo comportamiento dieléctrico y MWS contribuyente dominante efectos polarización observados este trabajo. Figura 1a y c muestran fuerte disminución conductividad frecuencias bajas debido MWS observado otros trabajos [27]. PNIPAm sistema heterogéneo debido moléculas agua libres y unidas. Cadenas polímero N-isopropilacrilamida, y otras impurezas y relajaciones múltiples aparecen hombro formado alrededor 100 kHz en ϵ' y ϵ''. La dlog(σ')/dlog(f) bulk PNIPAm muestra extensión polarización MWS, con inicio indicado mínimo ϵ'' [27]. Figura 1a y d muestran buen acuerdo otra literatura como inicio MWS cambia frecuencia más baja arriba TCSI, e aumenta intensidad una vez hidrogel transiciona fase bobina a glóbulo. Ordenamiento dominio es arreglo macroscópico ordenado o semi-ordenado cargas sistema compuesto partículas polares y manifiesta parámetros forma fraccional espectros relajación ϵ''(f) 28, 33, 38, 39. Generalmente, para pico relajación, pendiente más plana lado baja frecuencia asociada moléculas comportando red con mayor orden dominio, y pendiente acercándose −1 lado alta frecuencia asociada clusters moleculares comportando entidad singular altamente correlacionada 33. Mientras extensión polarización MWS deducida Fig. 1d, a, análisis exhaustivo orden dominio sistema hidrogel dejado otros trabajos.

PNIPAm Bulk Modificado PVA

Poli(alcohol vinílico) (PVA) demostrado inmiscible debido interacción muy débil pares poliméricos PNIPAm [40]. Como transición fase volumétrica función características unión cadenas NIPA con agua, PVA como aditivo ideal si objetivo mantener transición fase bobina-glóbulo atractiva muchas aplicaciones. Como discutido sección "Métodos", PVA añadido monómero bulk PNIPAm estándar aumentar viscosidad monómero y prevenir precipitación nanopartículas KF-dopado BaTiO₃ añadidas luego proceso. Verificación visual propiedades transición fase bobina-glóbulo dada después en este trabajo. Desde espectros dieléctricos Fig. 2, hay modificación contribución polarización MWS, pero comportamiento general no desvía significativamente bulk PNIPAm. Para este texto, salvo donde se indique explícitamente, PVA se refiere PVA + PNIPAm.

Como caso PNIPAm, aunque características polarización interfacial claramente representadas tanto σ* como ϵ*, no mesetas observadas ϵ' (Fig. 2a,b). Por tanto, contribuciones polarización electrodo pueden despreciarse. Contorno σ'(f, T) función polarización MWS. En bulk PNIPAm, transición fase discontinuo bobina-glóbulo bien representada espectro σ'(f, T) (Fig. 1c). Discontinuidad pasivada PVA probablemente debido cadenas poli(alcohol vinílico) hidrofílicas residuales no diluidas hidrogel durante síntesis (Fig. 2c). MWS aún aumenta arriba TCSI, pero desplazado frecuencia más alta (Fig. 2d). Para sistema heterogéneo, desplazamiento MWS frecuencias más altas debido aumento concentración partícula esperado con poli(alcohol vinílico) adicional [27].

PNIPAm Bulk Disperso Nanopartículas KF-BaTiO₃

Nanopartículas KF-dopado BaTiO₃ (KBT) high-k dispersadas bulk PNIPAm mejorar propiedades dieléctricas eventual actuación RF. Actuación examinada secciones siguientes. Sin embargo, aunque todas muestras mantuvieron transición fase volumétrica asociada PNIPAm, compuestos KBT+PVA+PNIPAm demostraron menor cambio visual bobina-glóbulo. Estos resultados también aparentes espectros dieléctricos que se desvían significativamente PVA o bulk PNIPAm. Por brevedad, KBT se refiere KBT+PVA+PNIPAm compuesto hidrogel salvo indicación contraria resto trabajo. Mínimos σ''(f) ~50 kHz coincidiendo punto inflexión ϵ'(f) característica MWS (Fig. 3a, b). A diferencia PVA y PNIPAm, polarización interfacial no sufre aumento significativo arriba TCSI. Esto evidenciado falta cambio significativo características dispersión tanto σ* como ϵ* con aumento temperatura (Fig. 3a, b, c). Incluso menos cambio σ' con frecuencia resuelto Fig. 3d comparado compuestos PVA y PNIPAm. Independientemente, aparente relativamente poco cambio sigue transición bobina y glóbulo.

Por el contrario, adición nanopartículas KBT compuesto aumentaron tanto σ* como ϵ* como motivación inicial trabajo. Cualitativamente, adición KBT también pasivó ordenamiento dominio dinámico curva dispersión dependiente temperatura ambos componentes real e imaginario ϵ'. Como PNIPAm, investigación exhaustiva orden dominio este sistema complejo dejado trabajos futuros. Sin embargo, pasivación tanto transición fase como ordenamiento dominio puede resultar nanopartículas KBT apantallamiento interacciones carga entre cadenas NIPA locales, clusters cadenas NIPA, y agua libre.

Actuación RF

Adiciones PVA y nanopartículas KBT proceso polimerización radical libre aumentan ε' ambos compuestos comparado PNIPAm a pesar contribuciones efectos polarización superficie [28, 41]. A 544 kHz, permitividad relativa aumenta 206,53 (PNIPAm) a 425,21 (KBT) y 612,95 (PVA) con error <5% cada valor calculado (Fig. 4a). Adición poli(alcohol vinílico) mostrado capacidad aumentar permitividad dieléctrica sistemas acuosos debido efectos hidrofílicos [42]. Inicio Maxwell-Wagner Sillars (MWS) y efectos polarización superficie electrodo indicados cambio pendiente ε' y picos relajación tan δ Fig. 4a. Combinación características inicio anteriores, y aumento conductividad Fig. 4b muestran adición nanopartículas KF-dopado BaTiO₃ aumenta iónica compuesto hidrogel. Aumentar conductividad manteniendo propiedades elásticas discontinuas hace KBT añadido opción potencial actuadores, músculos, o tejidos basados polímero activados eléctricamente. Constante dieléctrica (ε') y tangente pérdida (tan δ), frecuencia actuación, y propiedades térmicas transitorias compuestos son componentes críticos RF estimular cambio fase volumétrico hidrogel. Dependencia frecuencia profundidad penetración y deposición energía requeridas muestras estudiadas indican rango frecuencia 100 kHz-1,0 MHz efectivo inducir cambio fase volumétrico.

Calor específico volumétrico, C, cada material otro factor contribuyente calentamiento RF (Fig. 5a). Modelos preliminares asumieron propiedades calor específico similares bulk PNIPAm. Sin embargo, falta concordancia entre datos medidos y modelo llevó calorimetría adicional determinar calor específico efectivo compuestos. Hidrogeles PNIPAm comprenden sistema complejo compuesto 90+ % p/p agua con cadenas polímero poli(N-isopropilacrilamida) con grupos forman enlaces hidrógeno agua basado condiciones temperatura. Muestras KBT y PVA, poli(alcohol vinílico) no unirá cadenas PNIPAm, pero es hidrofílico y puede formar enlaces hidrógeno agua [43]. Fuertes interacciones intermoleculares producidas enlaces hidrógeno mostrado aumentan conductividad térmica [43]. En este caso, adición PVA proceso síntesis aumenta capacidad general enlace hidrógeno compuesto sin interrumpir capacidad PNIPAm interactuar agua ambiental. Adición poli(alcohol vinílico) proceso síntesis hidrogel PNIPAm reduce significativamente C_p 3,70 J/(g·K) bulk PNIPAm a 0,25 J/(g·K) hidrogeles PVA y 0,95 J/(g·K) hidrogeles KBT derivado mediciones y Ec. 1. En este trabajo, densidad PNIPAm estado hidrofílico medida 1,06 g/cm³. Densidades PVA y KBT medidas 0,94 g/cm³ y 0,99 g/cm³ respectivamente. Combinación dos factores resulta C significativamente menor domina contribución calentamiento muestras PVA y KBT (Fig. 5). Fig. 5b, H_F definido factor calor calentamiento dieléctrico, donde H_F = D_H / (C·E_a²).

RF 544 kHz aplicado cada muestra disposición antena placas paralelas. Menor calor específico volumétrico aumenta grandemente capacidad calentamiento proyectada compuestos basados PNIPAm usando RF sin contacto. Metodología dada abajo. Figura 6 contiene imágenes cada muestra tras tiempo exposición RF. Cada muestra expuesta mismas condiciones, condiciones iniciales temperatura ambiente. Objetivo observar cambio fase volumétrico inducido. Todas muestras expuestas RF máximo 30 min. Bulk PNIPAm no mostró cambio visible ventana exposición. Ambos KBT y PVA muestran cambios fase volumétrica con RF aplicado. Conforme Fig. 5b, PVA empieza transición fase dentro 2 min exposición, y colapso completo 10 min RF. KBT comienza mostrar colapso 5 min aplicaciones, pero no muestra efectos significativos hasta 20 min RF. Figura también da imagen representativa bulk PNIPAm tras sufrir cambio fase volumétrico inducido calentamiento resistivo.

Conclusión

En este trabajo, detallamos síntesis nuevo polímero híbrido propiedades dieléctricas mejoradas y cambio fase susceptible aplicación RF. Polarización interfacial Maxwell-Wagner-Sillars confirmada cada compuesto y caso PVA+PNIPAm y bulk PNIPAm, significativamente afectada transición fase bobina-glóbulo. Ordenamiento dominio no investigado exhaustivamente este trabajo, pero comportamientos cualitativos comparativos ϵ* y σ* demuestran adición nanopartículas KBT reduce dinámica ordenamiento dominio relacionado MWS probablemente debido apantallamiento carga interacciones NIPA-NIPA, NIPA-agua, y agua libre intramoleculares. Adición KBT también reduce fuerza transición bobina-glóbulo.

Compuestos polímero activos radiofrecuencia funcionalizados nanopartículas dieléctricas high-k tienen propiedades dieléctricas mejoradas manteniendo habilidades cambio fase volumétrica relativamente débiles. Aumento ε' no resulta, sin embargo, características calentamiento RF superiores. Adición poli(alcohol vinílico) proceso síntesis aumenta ε' y modifica tan δ, pero también reduce grandemente calor específico volumétrico, llevando mejor susceptibilidad calentamiento RF. Poli(alcohol vinílico) no interrumpe capacidad PINPAm sufrir transición fase volumétrica discontinua, y así mostrado candidato ideal aditivo. Para modulación usando ondas electromagnéticas, esto paso hacia hacer material puede cumplir requisitos ingeniería práctica aplicación generalizada sin comprometer habilidades volumétricas hidrogel. Aumento siete veces conductividad compuestos KBT sobre PNIPAm estándar puede reducir potencia entrada necesaria actuar cambio fase gel eléctricamente. Este material híbrido PNIPAm puede modularse usando RF modo sin contacto y también o mediante medios eléctricos baja energía debido conductividad eléctrica mejorada.

Métodos

Síntesis Nanopartículas KF-BaTiO₃

Nanopartículas KBT formadas usando técnica sol-gel [25, 44, 45]. Tetraisopropoxido titanio (Ti{OCH(CH₃)₂}₄), dietoxido bario (Ba(OC₂H₅)₂), y polvos KF disueltos relación molar 1,0:0,9:0,1 secuencia solución mixta metanol y 2-metoxietanol en caja guante seca con flujo gas N₂. Hidrólisis realizada agua destilada rociando solución tras enfriar 0 °C mientras agitada magnéticamente. Gel resultante secado 50 °C 24 h, luego 90 °C 3 días. Gel seco luego pulverizado y calcinado 650 °C eliminar materia orgánica. Nanopartículas finales formadas disparando polvo calcinado 800 °C 2 h.

Cristalización y pureza fase cristales KF_0.1-BaTiO₃ estudiados Akishige et al. otros trabajos [23,24,25]. Figura 7 muestra difracción cristalina cúbica partículas varían tamaño 70-200 nm. Mientras propiedades dieléctricas nanopartículas independientes no investigadas, caracterización dieléctrica cerámicas formadas polvos y cristales únicos triturados KBT completada. Cerámicas preparadas técnica sinterizado plasma chispa (SPC): polvos KBT650 prensados pellet 20 MPa y sinterizados 1000 °C 5 min vacío. Cristales únicos preparados método flujo KF: mezcla BaCO₃, TiO₂, KF fundida 1073 °C y enfriada 976 °C 2 h y 796 °C 8 h secuencialmente. A medida aumenta temperatura calcinación, tamaño cristal aumenta ~70 nm 650 °C a ~200 nm 800 °C, y calidad hábito cristal disminuye al evaporarse F arriba 740 °C. A pesar variación síntesis, tanto cerámicas como cristales únicos triturados muestran comportamiento dieléctrico similar y permitividad dieléctrica aumentada exposición altas temperaturas con permitividad dieléctrica temperatura ambiente mayor 5000 (ε' > 5000) rango kHz RF. Comportamiento cerámicas y cristales únicos triturados usado guía forma polvo nanopartículas. KBT exhibe permitividad dieléctrica RF (ε') y tangente pérdida (ε''/ε', tan δ) ~10.000 y ~0,05 alrededor TCSI hidrogel PNIPAm a 10 kHz. Por tanto, polvos KBT calcinados 800 °C añadidos hidrogeles basados PNIPAm aumentar respuesta dieléctrica RF. Compuestos hidrogel-KBT se refieren PNIPAm bulk forma polimerizado radical libre basado hidrogel con polvos KBT calcinados 800 °C suspendidos red polímero.

Síntesis Compuesto Hidrogel-KBT

Propiedades PNIPAm diversas formas bien estudiadas. Sin embargo, nanopartículas KBT observadas precipitar rápidamente agua y solución monómero usada polimerización radical libre PNIPAm. Químico adicional como se describe abajo añadido solución monómero reducir significativamente tasa precipitación nanopartículas manteniendo transición fase volumétrica hidrogel. Poli(alcohol vinílico) pre-polimero (PVA) usado reducir precipitación hidrogeles porque no solo aumenta viscosidad solución monómero sino también carece grupos vinílicos requeridos enlace químico cadenas polímero NIPA [40]. Aunque estudios mostrado PVA excelente estabilizador estérico partículas microgel PNIPAm [46], papel PVA este trabajo aumentar viscosidad solución monómero-KBT prevenir precipitación nanopartículas KBT manteniendo también propiedades transición volumétrica gel PNIPAm. Sin unión PNIPAm, PVA puede diluirse fuera hidrogel. Con PVA solución monómero, precipitación determinada experimentalmente ralentizó ~1 min a 3 días.

Proceso síntesis hidrogel-KBT detallado otros trabajos [47], y detallado aquí conveniencia. Monómero N-isopropilacrilamida (PNIPAm, TCI Chemicals), entrecruzante N,N'-metileno-bisacrilamida (BIS, Polysciences Inc), y AD agua mezclados proporción 0,10 (p/p):0,02 (mol PNIPAm):0,84 (p/p) hacer solución monómero. Poli(alcohol vinílico) (PVA, Polysciences Inc.), 2% p/p mezcla total, y nanopartículas KBT, 1% p/p mezcla total, luego añadidos solución monómero. Solución calentada 50 °C y agitada >24 h asegurar disolución PVA solución monómero, y dispersión nanopartículas solución. Dispersión polvos KBT lograda agitación magnética solución baja precipitación >24 h. Solución compuesta luego puesta baño hielo, bombeada N₂ >1 h eliminar oxígeno adsorbido mientras agitada magnéticamente. Persulfato amonio (APS) y tetrametiletilendiamina (TEMED) usados iniciador y acelerador polimerización final geles bulk PVA PNIPAm/compuestos. Geles finales sumergidos agua desionizada (AD) >2 días y agua cambiada ~6 h eliminar iniciador y acelerador residuales.

PVA pre-polimero soluble agua, pero no une fácilmente o entrecruza cadenas polímero PNIPAm procedimiento polimerización radical libre debido falta grupo vinílico necesario unir PNIPAm. Eliminar exceso PVA, hidrogel calentado arriba TCSI ~50 °C, exceso líquido removido y reemplazado AD agua 20 °C, gel rehidrató, y proceso repetido cada muestra eliminar PVA. Figura 7 muestra imágenes EDAX polvos KBT dispersos PVA-PNIPAm. Aunque KBT muestra agregaciones clustering varían tamaño hasta 10 μm (Fig. 8a-d), dispersión relativamente uniforme visible Fig. 8f usada validación satisfactoria técnica dispersión.

Todas muestras este estudio, transición fase volumétrica asociada PNIPAm, pero no observada estrictamente polímeros PVA, verificada experimentalmente temperatura TCSI estándar (~33 °C). Propiedades volumétricas hidrogel PVA-PNIPAm mantuvieron transición fase volumétrica discontinua ~33 °C misma forma PNIPAm estándar. Esperado ya transición fase debida interacciones enlace hidrógeno entre PNIPAm y agua. Compuestos gel-nanopartículas KBT hechos usando gel bulk PVA PNIPAm. Propiedades estructurales nanopartículas dieléctricas e hidrogel mostradas Fig. 7. Uso PVA aditivo propósitos viscosidad determinado empíricamente tras precipitación significativa KBT observada soluciones gel bulk polimerización radical libre estándar. Otras soluciones combinadas no mantuvieron propiedades cambio fase volumétrico. Cantidades cada componente mezcla también determinadas empíricamente, y propiedades cambio fase volumétrico compuestos bulk verificadas experimentalmente mantenidas. Duración este trabajo, "PVA" usado indicar hidrogel PVA-PNIPAm y "KBT" indicar hidrogel KBT800-PVA-PNIPAm.

Mediciones Dieléctricas Dependientes Temperatura

Propiedades dieléctricas medidas muestra colocada interior copa Faraday cobre sellada forrada Teflon. Electrodos cobre 12,90 mm diámetro espaciados espesor celda muestra centrados jaula. Celda muestra consistía anillo Teflon diámetro interno 5,0 mm, diámetro externo 11,11 mm, espesor 2,8 mm con cinta cobre conductora adherida sellar un lado celda sostener líquidos. Celda muestra fijada entre dos electrodos usando presión tornillos Teflon porciones superior e inferior electrodos. Temperatura monitoreada usando termopar tipo K envuelto cinta Teflon precisión ±0,05 °C colocado electrodo base. Controlador temperatura FDC-C21 usado controlar calentador resistivo eléctricamente aislado colocado dentro jaula Faraday ~3 cm muestra. Temperatura y datos dieléctricos registrados cada grado 27-39 °C ±0,3 °C.

Analizador Espectro Impedancia Ganancia/Fase Solartron 1260A usado medir propiedades dieléctricas compuestos gel-KBT. Impedancia compleja medida 10 puntos/década 1-1000 kHz con intensidad campo eléctrico 500 mV rms. Constante dieléctrica (ε'), conductancia (σ), tangente pérdida (tan δ), y otros valores dieléctricos cada muestra derivados impedancia compleja medida y parámetros calibrados celda muestra. Muestras completamente hidratadas inicio cada medición. Como hidrogeles generalmente >90% p/p agua, efectos polarización electrodo e interfacial esperados y observados [48].

Cambio Fase Muestra Inducido RF

RF aplicado muestras usando disposición antena placas paralelas. Muestras pre-pesadas colocadas viales acrílicos tapados no exhibían calentamiento expuestos RF. Dos placas cobre 60 mm × 30 mm simple cara espaciadas 36 mm usando separadores Teflon actuaron antenas. Configuración LRC dual, anti-fase, armónica generó RF 544 kHz a 8500 V pico-pico aire. Muestras colocadas entre antenas sin conexión conductiva física muestra y placas. Medir aumentos temperatura, alta intensidad campo RF impidió medición temperatura in situ. RF aplicado 5 min muestras temperatura ambiente y temperatura registrada inicio y final. Calibrar efectos RF, imágenes muestras tomadas con aplicación RF activa intervalos 2 y 5 min por 30 min.

Disipación Energía, Calentamiento Dieléctrico, y Capacidad Calor

Derivación energía disipada debido campo electromagnético material dieléctrico dada otros trabajos [47]. RF aplicado usando configuración antena paralela, contribución dieléctrica calentamiento es:

D_H = 2π ε₀·f[Hz]·tan δ·|E_a[V/m]|² / ε'(1+(tan δ)²) (1)

donde E_a amplitud campo eléctrico RF aire, tan δ tangente pérdida material, ε' parte real constante dieléctrica, y f frecuencia aplicación. Tasa calentamiento lograda posteriormente aplicación RF es:

ΔT/t[K/s] = D_H / C_V (2)

donde C_V calor específico volumétrico.

Determinar capacidad calor material, D_H calculado amplitud campo eléctrico medido, frecuencia, y ε' y tan δ medidos cada material. Configuración interna con agua referencia usada mediciones calorimétricas. Muestras cantidades variables llenadas viales acrílicos. Viales acrílicos verificados experimentalmente respuesta RF despreciable. Muestras tapadas y centradas entre dos placas capacitivas conectadas configuración LRC. Frecuencia, voltaje RF generado, espaciado placas, y cantidades muestras variaron y múltiples conjuntos ΔT/t registrados, donde ΔT cambio temperatura muestra, y t tiempo aplicación RF. Usando constante dieléctrica relativa medida (ε') y tangente pérdida (tan δ) frecuencia RF aplicada, calentamiento homogéneo supuesto y calor específico calculado usando:

C_p[J/(kg·°C)] = D_H / (ρ_m·ΔT/t) (3)

el C_p agua determinado 4191 J/(kg·K); dentro error valor estándar 4186 J/(kg·K) [49]. Mediciones C_p compuestos hidrogel realizadas con compuestos hidratados de manera que superficie compuestos presionaba menisco agua superficie.

Disponibilidad Datos y Materiales

Datos disponibles bajo petición.

Abreviaturas

PE:

Polarización electrodo

KBT:

Titanato bario dopado KF, compuesto hidrogel nanopartículas dispersas titanato bario dopado KF

TCSI:

Temperatura crítica solución inferior

MWS:

Maxwell-Wagner-Sillars

PNIPAm:

Poli-N-isopropilacrilamida

PVA:

Poli(alcohol vinílico)

RF:

Radiofrecuencia