Production and Electrical Characterization of Low Density Polyethylene-based Micro- and Nano-dielectrics containing Graphene Oxide, Functionalized Graphene and Carbon Black additives

Oggigiorno la ricerca di nuovi materiali per gradatori di campo da impiegarsi in accessori di cavi ha iniziato a studiare alcuni materiali nano dielettrici con proprietà elettriche non lineari con la tensione ed aventi proprietà migliorate rispetto al materiale base. Per questo motivo in questo elaborato si sono studiati materiali nanostrutturati a base di polietilene a bassa densità (LDPE) contenenti nano polveri di grafene funzionalizzato (G*), ossido di grafene (GO) e carbon black (CB). Il primo obiettivo è stato quello di selezionare e ottimizzare i metodi di fabbricazione dei provini. La procedura di produzione è suddivisa in due parti. Nella prima parte è stata utilizzatala tecnica del ball-milling, mentre nella seconda un pressa termica (thermal pressing). Mediante la spettroscopia dielettrica a banda larga (BDS) si sono misurate le componenti reali e immaginarie della permettività e il modulo della conducibilità del materiale, in tensione alternata. Il miglioramento delle proprietà rispetto al provino di base composto dal solo polietilene si sono ottenute quando il quantitativo delle nanopolveri era maggiore. Le misure sono state effettuate sia a 3 V che a 1 kV. Attraverso misurazioni di termogravimetria (TGA) si è osservato l’aumento della resistenza termica di tutti i provini, soprattutto nel caso quando la % di nanopolveri è maggiore. Per i provini LDPE + 0.3 wt% GO e LDPE + 0.3 wt% G* si è misurata la resistenza alle scariche parziali attraverso la valutazione dell’erosione superficiale dei provini. Per il provino contenente G* è stato registrato una diminuzione del 22% del volume eroso, rispetto al materiale base, mentre per quello contenente GO non vi sono state variazioni significative. Infine si è ricercata la resistenza al breakdown di questi ultimi tre provini sopra citati. Per la caratterizzazione si è fatto uso della distribuzione di Weibull. Lo scale parameter α risulta aumentare solo per il provino LDPE + 0.3 wt% G*.

Inkjet-printed poly(N-isopropylacrylamide)/graphene electrodes for selective electroanalytical sensing

The main research topic of the present master thesis consisted in the modification and electrochemical testing of inkjet printed graphene electrodes with a thin polymeric hydrogel layer made of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAM) acting as a functional layer to fabricate selective sensors. The first experimental activities dealt with the synthesis of the polymeric hydrogel and the modification of the active surface of graphene sensors through photopolymerization. Simultaneous inkjet printing and photopolymerization of the hydrogel precursor inks onto graphene demonstrated to be the most effective and reproducible technique for the modification of the electrode with PNIPAAM. The electrochemical performance of the modified electrodes was tested through cyclic voltammetry. Voltammograms with standard redox couples with either positive, neutral or negative charges, suggested an electrostatic filtering effect by the hydrogel blocking negatively charged redox species in near neutral pH electrolyte solutions from reaching the electrode surface. PNIPAAM is a known thermo-responsive polymer, but the variation of temperature did not influence the filtering properties of the hydrogels for the redox couples studied. However, a variation of the filter capacity of the material was observed at pH 2 in which the PNIPAAM hydrogel, most likely in protonated form, became impermeable to positively charged redox species and permeable to negatively charged species. Finally, the filtering capacity of the electrodes modified with PNIPAAM was evaluated for the electrochemical determination of analytes in presence of negatively charge potential interferents, such as antioxidants like ascorbic acid. The outcome of the final experiments suggested the possibility to use the inkjet-printed PNIPAAM thin layer for electroanalytical applications as an electrostatic filter against interferents of opposite charges, typically present in complex matrices, such as food and beverages.