Растягивающиеся нановолокна из нанокомпозита поливинилиденфторид (ПВДФ)/термопластичный полиуретан (ТПУ) для поддержки пьезоэлектрического отклика за счет механической эластичности.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8335 (2022) Цитировать эту статью

3811 Доступов

6 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 28 июня 2022 г.

Эта статья обновлена

Интерес к пьезоэлектрическим нанокомпозитам значительно растет в области сбора энергии. Они применяются в носимой электронике, механических приводах и электромеханических мембранах. В данной исследовательской работе были синтезированы нанокомпозитные мембраны различного соотношения компонентов из ПВДФ и ТПУ. ПВДФ отвечает за пьезоэлектрические характеристики, поскольку он является одним из многообещающих полимерных органических материалов, содержащих β-листы, для преобразования приложенного механического напряжения в электрическое напряжение. Кроме того, ТПУ широко используется в производстве пластмасс благодаря своей превосходной эластичности. Наша работа исследует анализ пьезоотклика для различных соотношений смешивания ПВДФ/ТПУ. Было обнаружено, что коэффициенты смешивания ТПУ 15–17,5% дают более высокое выходное напряжение при различных условиях напряжения наряду с более высокой пьезочувствительностью. Затем добавление ТПУ с его превосходной механической эластичностью может частично компенсировать ПВДФ, улучшая пьезоэлектрический отклик нанокомпозитных матов ПВДФ/ТПУ. Эта работа может помочь уменьшить количество добавляемого ПВДФ в пьезоэлектрические мембраны с повышенной пьезочувствительностью и механической эластичностью.

За последние несколько десятилетий были проведены обширные исследования по использованию альтернативных источников энергии1. В основном это произошло благодаря использованию различных чистых и возобновляемых источников энергии благодаря их устойчивости и экологичности2. Кроме того, в последнее время основное внимание уделяется технологиям сбора энергии, позволяющим утилизировать ненужную энергию из окружающей среды. Такие технологии могут преобразовывать вибрации, тепло, свет, радиацию, ветер и воду в электрическую энергию для маломощных устройств1. Исследования также расширились и включили сбор энергии в биомедицинские приложения3 и предложили многообещающие биомедицинские датчики и носимую электронику4,5 благодаря способности собирать кинетическую энергию в форме вибраций от непосредственной деятельности человека, такой как ходьба, бег и постукивание пальцами. сердцебиение и дыхание6,7. Кинетическая энергия собирается на основе трех механизмов трансдукции; пьезоэлектрический, электромагнитный или электростатический. Из-за высокой плотности энергии, простой конструкции и возможности масштабирования до микро- и наноразмерных устройств пьезоэлектрические сборщики энергии привлекли наибольшее внимание8,9,10. Пьезоэлектрические материалы также обладают уникальной способностью преобразовывать механическую энергию в электричество напрямую, без внешнего воздействия11,12. Поэтому были предприняты многочисленные усилия по разработке высокопроизводительных пьезоэлектрических наногенераторов с использованием органических и неорганических материалов13,14,15.

Было обнаружено, что органические пьезоэлектрические материалы имеют большие преимущества, чем неорганические материалы, включая более высокий уровень технологичности16. Было замечено, что такие материалы применимы в широком спектре устройств, при этом материалы на основе полимеров являются более предпочтительными из-за их присущей им гибкой природы, обеспечивающей высокую степень изгиба и биоразлагаемости17,18. Среди всех пьезоэлектрических полимеров пленки из поливинилиденфторида (ПВДФ) на сегодняшний день продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические характеристики19,20,21. Благодаря полярной кристаллической природе ПВДФ, его способность создавать большие напряжения при малых силах сделала его подходящим для пьезоэлектрических применений20,22,23. Пьезоэлектрические свойства ПВДФ в основном зависят от его β-фазы, одной из четырех кристаллических фаз22,24. Помимо легкого веса, гибкости, устойчивости к растворителям и стабильности в сильных электрических полях, он считается оптимальным биоматериалом для применения в сборщиках энергии, датчиках силы и преобразователях.

Нановолокна ПВДФ являются основным кандидатом для таких применений, особенно в носимых и имплантируемых устройствах. Основные методы, используемые для изготовления таких волокон, включают электропрядение, прядение из расплава и центробежное прядение25,26. Электропрядение оказалось наиболее перспективным, поскольку с его помощью можно формировать нановолокна из растворов или расплавов с переменным диаметром. Кроме того, сообщалось, что содержание β-фазы в нановолокнах ПВДФ, полученных методом электроформования, выше, чем в литых пленках ПВДФ, что улучшает их пьезоэлектрические свойства27.