Etapa I (anul 2022) a proiectului High-k-coPI a avut ca obiectiv sinteza de copoliimide semiaromatice continand diferite grupe polare cu scopul de a fi folosite sub forma de filme capacitoare in dispozitive de stocare a energiei. Pentru indeplinirea acestui obiectiv s-au sintetizat doua diamine aromatice cu grupe polare nitril cu rol de a contribui la cresterea valorii constantei dielectrice a copolimerilor corespunzatori, o valoare cat mai ridicata fiind necesara pentru aplicatiile electronice vizate. Structura acestor monomeri a fost confirmata folosind tehnicile spectrale FTIR si 1H-RMN.
Folosind ca monomeri o dianhidrida aromatica cu grupe polare carbonilice si un amestec de doua diamine (una aromatica cu grupe polare nitril si segmente m-fenoxi si o diamina alifatica cu grupe polare de tip jefamina selectata dintr-o serie de 3 diamine) s-a preparat ulterior o serie de 3 copoliimide semiaromatice cu grupe polare in raport masic de 70:30 intre diamina aromatica si cea alifatica. Cu scopul de a analiza influenta grupelor nitril asupra proprietatilor copolimerilor obtinuti s-au sintetizat si 3 copoliimide de referinta folosind aceeasi dianhidrida aromatica cu grupe polare carbonilice si un amestec format dintr-o diamina aromatica fara grupe nitril si cele 3 diamine alifatice cu grupe polare de tip jefamina folosind acelasi raport masic de 70:30. Toate copoliimidele au fost caracterizate structural prin tehnici spectrale FTIR si 1H-RMN care au confirmat pe deplin obtinerea copolimerilor proiectati initial.
Optimizarea procesului de sinteza a copoliimidelor a fost realizat prin doua activitati paralele: de modificare a masei moleculare corespunzatoare diaminei alifatice de tip jefamina (folosind 3 diamine cu mase moleculare de 600, 900 si 2000 Da) si respectiv, folosirea de rapoarte masice diferite intre diamina aromatica si diamina alifatica. Astfel, s-au sintetizat inca 2 serii de copoliimide obtinand la finalul etapei un total de 12 copoliimide semiaromatice cu grupe polare de tip jefamina cu/ fara grupe nitril care vor fi analizate din punct de vedere fizico-chimic in etapa urmatoare a acestui proiect.
O parte din rezultatele obtinute pe parcursul primei etape a proiectului High-k-coPI au fost diseminate sub forma a 4 prezentari la manifestari stiintifice internationale care aduc multumiri sprijinului financiar oferit de acest proiect.
Etapa II (anul 2023) a proiectului High-k-coPI a avut ca obiectiv sinteza de copoliimide semi-aromatice cu grupe nitril cu scopul de a fi folosite sub forma de filme flexibile in dispozitive de stocare a energiei. Pentru indeplinirea acestui obiectiv s-au sintetizat 9 copoliimide cu grupe polare nitril si polietilen/polipropilen oxid cu rol de a contribui la cresterea rezistentei mecanice si a valorii constantei dielectrice a copolimerilor corespunzatori. Pentru a evalua influenta segmentului alifatic asupra proprietatilor copoliimidelor s-au sintetizat 3 serii de copolimeri cu rapoarte molare diferite intre diamina aromatica cu segmente p-fenoxi si 3 diamine alifatice cu mase moleculare diferite de 600, 900 si 2000 Da. Structura copoliimidelor obtinute a fost confirmata folosind tehnicile spectrale FTIR si 1H-RMN. Acesti compusi au fost analizati initial din punct de vedere al solubilitatii, maselor moleculare si abilitatii de a forma filme flexibile. Optimizarea procesului de obtinere a filmelor de sine-statatoare, flexibile a constituit o etapa esentiala, datorita importantei acesteia in fabricarea de materiale adecvate pentru dispozitive destinate stocarii energiei. Filmele au fost evaluate ulterior cu privire la morfologia suprafetei, proprietatile optice, cristalinitate, rezistenta mecanica si termica, precum si a comportamentului dielectric. Rezultatele obtinute indica faptul ca filmele copoliimidice au o suprafata omogena, fara defecte, sunt amorfe si prezinta o rezistenta mecanica si termica ridicata, in stransa legatura cu segmentul alifatic introdus in copolimerul corespunzator. Incorporarea diaminelor alifatice in lantul macromolecular a condus la posibilitatea modularii valorilor constantei dielectrice si a pierderilor dielectrice. In general, s-a observat o corelare evidenta intre structura si proprietatile copoliimidei corespunzatoare, elementul definitoriu in modelarea acestora fiind reprezentat de natura si cantitatea diaminei alifatice.
O parte din rezultatele obtinute pe parcursul etapei a doua a proiectului High-k-coPI au fost diseminate sub forma a 3 articole stiintifice acceptate/in evaluare in reviste cu FI>3, 1 capitol de carte si 5 prezentari la manifestari stiintifice internationale care aduc multumiri sprijinului financiar oferit de acest proiect.
Etapa III (anul 2024) a avut drept obiective studii privind rezistenta la strapungere si evaluarea densitatii de stocare a energiei, stabilirea corelatiei structura-proprietati si evaluarea potentialului aplicativ al filmelor copoliimidice pentru stocare de energie. Astfel, experimentele realizate au aratat ca structurile copoliimidice din seria a doua (pe baza de segmente p-fenoxi) au obtinut valori mai mari pentru rezistenta la strapungere decat cele din prima serie (cu fragmente m-fenoxi). In consecinta, valorile calculate pentru energia de stocare a acestor filme a fost mai mare comparativ cu cea a copolimerilor din prima serie cu segmente m-fenoxi. S-a observat o crestere a capacitatii de stocare a acestor materiale in cazul copoliimidelor care incorporeaza o cantitate mai mare de componenta aromatica si segmente de Jefamina mai scurte (de ex. un raport molar diamina aromatica: alifatica= 0.7: 0.3 si ED-600), datorita unei rigiditati mai crescure a lantului macromolecular.
Pe baza rezultatelor obtinute in cadrul acestui proiect s-au stabilit corelatiile intre structura si proprietatile copoliimidelor. In fiecare caz s-a observat influenta designului structural asupra caracteristicilor copolimerilor, elementul definitoriu fiind pozitia unitatii benzonitril fata de grupa fenoxi adiacenta din componenta tare, precum si cantitatea si masa moleculara a diaminei alifatice din componenta moale a copoliimidelor. Compararea performantelor obtinute de aceste materiale cu cele raportate in literatura a permis evaluarea eficientei copoliimidelor si stabilirea potentialului aplicativ. Astfel, cei mai performanti copolimeri in termeni de energii de stocare au fost coPI4 (Ue= 1.36 J/cm3) si coPI7 (Ue= 1.22 J/cm3) din prima serie pe baza de fragmente CN-m-fenoxi, si coPI14 (Ue= 2.70 J/cm3) si coPI16 (Ue= 2.59 J/cm3) din a doua serie pe baza de fragmente CN-p-fenoxi. Mai mult, intrucat acesti copolimeri selectati prezinta stabilitate termica ridicata (Tg = 72–152°C, Tonset = 310–399°C), au abilitati bune de a forma filme flexibile, fara defecte, cu proprietati mecanice excelente sau bune, acestia pot fi utilizati cu succes ca materiale dielectrice capacitive pentru stocare de energie in electronica flexibila. Insa, pentru utilizarea acestora in electronica flexibila/elastica este nevoie de a realiza studii suplimentare pentru a depasi „trade-off-ul” dintre proprietatile mecanice excelente (obtinute in seria coPI4–coPI12) si caracteristicile electrice bune (strapungerea dielectrica si energia de stocare obtinute in cazul seriei coPI13–coPI21) pentru a obtine materiale care sa depaseasca performantele polimerilor actuali.
S-au propus noi strategii pentru a crea copoliimide cu constanta dielectrica mare si energii de stocare superioare fie prin amestecarea cu umpluturi anorganice sau prin modificarea elementelor structurale din componenta tare a materialelor.
Diseminarea rezultatelor obtinute in cadrul etapei a treia a proiectului High-k-coPI au constat in 1 articol stiintific in evaluare intr-o revista cu FI>3, care aduce multumiri sprijinului financiar oferit de acest proiect.
Rezumatul final al proiectului
Proiectul High-k-coPI a avut ca obiectiv principal ingineria unor materiale polimerice avansate cu scopul de a fi folosite ca filme capacitoare in dispozitive de stocare a energiei. Tematica proiectului poate influenta progresul materialelor dielectrice cu permitivitati ridicate, acestea fiind mai adecvate in campuri electrice mari comparativ cu materialele anorganice. Ideea High-k-coPI a fost de a gasi combinatia optima intre structura chimica a copoliimidelor si proprietatile atractive determinate de aceasta. Pentru a obtine materiale polimerice competitive s-a exploatat efectul sinergic dintre segmentele aromatice si alifatice. Originalitatea proiectului a constat in folosirea filmelor flexibile copoliimidice prelucrabile din solutie, stabile termic, cu permitivitati si rezistenta la strapungere ridicate, precum si energii de stocare mari ca alternative viabile si ieftine la componentele electronice actuale. Pentru realizarea obiectivelor activitatile au fost impartite in 3 etape, care au cuprins subactivitati diverse de la sinteza si caracterizarea minutioasa a copoliimidelor, la optimizarea structurii acestora cu accent pe prelucrabilitate in filme flexibile. S-au evaluat apoi proprietatile filmelor din punct de vedere morfologic, optic, mecanic, termic, dielectric, rezistenta la strapungere si stocarea energiei.
Rezultatele obtinute in cadrul acestui proiect au produs un impact in domenii multidisciplinare precum cercetarea fundamentala a materialelor performante (prin obtinerea de copoliimide cu proprietati fizico-chimice care pot fi modulate, care au fost publicate in reviste de prestigiu cotate ISI), in cercetarea aplicativa (prin obtinerea de filme flexibile cu proprietati excelente care au caracteristici atractive pentru aplicatii electronice) si in aria educationala (prin diseminarea cunostintelor obtinute in proiect la manifestari stiintifice, cat si prin consolidarea grupului de cercetare intr-un domeniu atractiv si provocator). | 
