Sợi nano có thể có giãn và tìm hiểu vật liệu nano composite polyvinylidenefluoride nhựa PVDF, polyurethane nhựa nhiệt dẻo TPU: nhựa PVDF và nhựa TPU để hỗ trợ phản ứng áp điện thông qua độ đàn hồi cơ học
Sự quan tâm đến vật liệu nanocompozit áp điện ngày càng tăng trong lĩnh vực thu năng lượng. Các vật liệu này được ứng dụng trong các thiết bị điện tử đeo được, bộ truyền động cơ học và màng cơ điện. Trong công trình nghiên cứu này, các màng nanocomposite có tỷ lệ pha trộn khác nhau từ nhựa PVDF và nhựa TPU đã được tổng hợp, chịu trách nhiệm về hiệu suất áp điện trong đó đây là một trong những vật liệu hữu cơ polyme đầy hứa hẹn có chứa tấm ẞ, để chuyển đổi ứng suất cơ học thành điện áp. Ngoài ra, nhựa TPU được sử dụng rộng rãi trong ngành nhựa do tính đàn hồi vượt trội của nó. Phân tích phản ứng áp điện cho các tỷ lệ pha trộn khác nhau của nhựa PVDF và nhựa TPU các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng tỷ lệ pha trộn giữa nhựa TPU là 15-17,5% cho điện áp đầu ra cao hơn ở các điều kiện ứng suất khác nhau cùng với độ nhạy áp điện cao hơn. Nhựa PVDF để tăng cường phản ứng áp điện của tấm nanocompozit nhựa PVDF/TPU. Công việc này có thể giúp giảm lượng nhựa PVDF bổ sung vào màng áp điện với độ nhạy áp điện và độ đàn hồi cơ học được tăng cường năng lượng cơ học trực tiếp thành điện năng mà không cần đầu vào bên ngoài. Do đó, nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển máy phát điện nano áp điện hiệu suất cao sử dụng vật liệu hữu cơ và vô cơ. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vật liệu áp điện hữu cơ có nhiều lợi ích hơn vật liệu vô cơ, bao gồm cả khả năng xử lý cao hơn. Những vật liệu như vậy đã được cho là có thể áp dụng được trong nhiều loại thiết bị, trong đó vật liệu gốc polyme được ưa chuộng hơn do tính chất linh hoạt nội tại của chúng, mang lại mức độ uốn cong và khả năng phân hủy sinh học cao. Trong số tất cả các polyme áp điện, màng poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nhựa PVDF đã cho thấy hiệu suất áp điện cao nhất cho đến nay. Do tính chất tinh thể phân cực của nhựa PVDE, khả năng tạo ra điện áp lớn với lực thấp đã tạo điều kiện thuận lợi cho các ứng dụng áp điện. Tính chất áp điện của nhựa PVDF chủ yếu phụ thuộc vào pha ẞ, một trong bốn pha tinh thể của nó. Ngoài trọng lượng nhẹ, tính linh hoạt, khả năng kháng dung môi và tính ổn định trong điện trường cao, nhựa PVDF còn được coi là vật liệu sinh học tối ưu cho các ứng dụng trong máy thu năng lượng, cảm biến lực và đầu dò. Sợi nano nhựa PVDF là ứng cử viên cốt lõi cho các ứng dụng như vậy, đặc biệt là các thiết bị đeo được và cấy ghép. Các kỹ thuật chính được sử dụng để chế tạo các loại sợi như vậy bao gồm quay điện, kéo sợi nóng chảy và ly tâm
Quay điện là hứa hẹn nhất vì nó có thể tạo thành các sợi nano từ dung dịch hoặc tan chảy với đường kính thay đổi. Ngoài ra, có báo cáo cho rằng hàm lượng pha ẞ trong sợi nano nhựa PVDF được sản xuất bằng phương pháp quay điện cao hơn so với màng đúc nhựa PVDF, do đó cải thiện tính chất áp điện của nó27. Quay điện cũng mang lại khả năng nâng cao hơn nữa các đặc tính áp điện của sợi nano PVDF được chế tạo nhờ khả năng tạo ra các sợi thẳng hàng với cấu trúc rỗng hoặc các chất phụ gia khác nhau để cải thiện hiệu suất. Các chất phụ gia bao gồm ống nano carbon (CNT), graphene và ZnO2. Một nghiên cứu trước đây đã chế tạo thành công máy phát điện nano từ nanocompozit nhựa PVDF-ZnO, cho thấy rằng việc bổ sung các hạt ZnO đã làm tăng điện áp đầu ra của nó3°. Hơn nữa, máy phát điện nano áp điện kết hợp ZnO đã được cấy thành công vào chuột sống để thu năng lượng từ nhịp tim và chuyển động thở. Nghiên cứu đó đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc sử dụng máy phát điện nano nhựa PVDF-ZnO làm nguồn năng lượng cho các thiết bị điện tử y sinh cấy ghép, điều này cho thấy tiềm năng mạnh mẽ của các thiết bị như vậy trong các ứng dụng liên quan đến việc bình thường hóa nhịp tim và kích thích não để điều trị rối loạn vận động. Hơn nữa, nhựa PVDF và các chất đồng trùng hợp của nó đã được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến áp suất, đóng vai trò là thiết bị theo dõi sức khỏe đối với các tín hiệu hô hấp. Các vật liệu tổng hợp của nhựa kỹ thuật PVDF và graphene oxit cũng đã được phát triển cho nhiều ứng dụng cảm giác, cho thấy độ nhạy cao để theo dõi đồng thời áp suất và nhiệt độ xung động mạch. Các sợi nano nhựa PVDF cũng đã được khám phá để ứng dụng cảm biến huyết áp do tính linh hoạt tuyệt vời của chúng và đã thành công đã được thử nghiệm trên mô hình in vitro trong đó màng mỏng của nhựa PVDF được quấn quanh động mạch chủ và các tín hiệu định kỳ về dòng điện và điện áp đầu ra được tạo ra khi chuyển động của động mạch, cho thấy độ nhạy cao
So với nhiều vật liệu tổng hợp, việc bổ sung polyurethane nhiệt dẻo (TPU) nhựa TPU đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc tăng cường các đặc tính cơ học. Những đặc điểm như vậy có thể cần thiết cho các ứng dụng trong việc chữa lành vết thương và lọc
Một số nghiên cứu của các nhà khoa học đã điều tra các đặc tính và hiệu suất của thảm composite nhựa PVDF/TPU cho các ứng dụng điện và y sinh khác nhau. Giàn giáo quay điện nhựa PVDF/TPU được giới thiệu để chữa lành vết thương, trong đó hoạt động di chuyển tế bào và nguyên bào sợi được cải thiện do tính áp điện của vật liệu composite. Một số các nghiên cứu khác đã đánh giá những thay đổi về tính chất áp điện và cơ học liên quan đến việc bổ sung TPU với sợi nano nhựa PVDF. Kết quả cho thấy sự kích thích lưỡng cực bên trong nhựa PVDF linh hoạt hơn do hàm lượng đàn hồi của nhựa TPU. (GO)/Bi2S3-PVDF/TPU được phát triển cho các ứng dụng quang nhiệt, kết hợp các hạt nano GO/Bi2S3 làm vật liệu chuyển đổi quang nhiệt và màng nhựa PVDF/TPU quay điện làm chất nền. Kết quả quan sát thấy thảm mới lai có tỷ lệ hấp thụ ánh sáng khoảng 95% ở phạm vi bước sóng 400-2500 nm. Ngoài ra, sự hiện diện của TPU đã cải thiện đáng kể độ bền cơ học của màng composite. Nhựa TPU và bismuth natri titanate oxit đa tinh thể (Bi, Naq TiO,; BNT) được trộn với nhựa PVDF và đúc với sự hỗ trợ của máy phủ dạng lưỡi để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng lên phản ứng áp điện của màng composite. Sự cải thiện đáng kể về hệ số áp điện cắt mặt đã được thể hiện bằng cách điều chỉnh hàm lượng pha trộn của nhựa TPU do sự hình thành cấu trúc lỗ chân lông siêu nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tích dưới các loại ứng suất khác nhau
Trong nghiên cứu của mình, các phân tích đặc tính cơ học và áp điện chi tiết của các tỷ lệ pha trộn khác nhau của thảm sợi nano nhựa PVDF và nhựa TPU được tổng hợp bằng quy trình quay điện. Cụ thể hơn, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra tỷ lệ pha trộn tối ưu để tạo ra điện áp tối đa ở các lực tác dụng khác nhau. Ngoài ra, các nhà khoa học cho thấy tác động của tần số của lực tác dụng lên đặc tính phản ứng áp điện của các tấm thảm sợi nano pha trộn khác nhau. Công việc này rất hữu ích cho các thiết bị điện tử đeo trên người và các thiết bị thu năng lượng
Nghiên cứu thí nghiệm
Nguyên vật liệu nhựa kỹ thuật: Polyvinylidene fluoride nhựa PVDF và polyurethane nhiệt dẻo TPU với Chỉ số Polydispersity PDI là 1,83 và trọng lượng phân tử 107.020 g mol-¹. Nồng độ polyme đã biết đã được phân tán trong dimethylformamid DMF 98%
Chế tạo màng. Các tỷ lệ pha trộn khác nhau của dung dịch nhựa PVDF và nhựa TPU với nồng độ polymer không đổi là 10% đã được chuẩn bị và xử lý thông qua thiết lập quay điện. Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của việc bổ sung nhựa TPU lên các tính chất áp điện và cơ học của tấm nhựa PVDF đã được giới thiệu thông qua năm tỷ lệ pha trộn khác nhau của nhựa PVDF và nhựa TPU, PVDF/TPU (95:5, 90:10, 87,7:12,5, 85:15, 82,5:17,5, 80:20, 75:25 và 70:30). Quá trình quay điện được thực hiện bằng cách thêm 10 mL dung dịch polymer vào ống tiêm nhựa có đầu kim thép không gỉ. Điện áp dương được cung cấp từ nguồn điện cao áp CZE1000R đến kim loại có thước đo 18, để cấp điện áp khoảng 25 kV
Đặc điểm hình thái và vật lý: Hình thái của sợi nano nhựa PVDF và nhựa TPU (NF) được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét với điện áp gia tốc 15 kV. Các tấm thảm sợi nano được đặt trên băng cacbon cố định trên các thanh nhôm và được phủ bằng bạch kim. Đường kính của NF được phân tích bằng phần mềm Image-J. Sự phân bố đường kính trung bình của sợi được phát hiện thủ công bằng cách đo chiều dài qua các ranh giới sợi ở các tỷ lệ hình ảnh khác nhau (50 um, 10 um và 1 um). Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) đã được điều chỉnh ở chế độ ATR. Các mẫu được quét 120 lần ở độ phân giải 5 cm trên phạm vi 4000-400 cm để nghiên cứu các nhóm chức năng hóa học của thảm trộn.
Đặc tính cơ học: Việc kiểm tra tác động của việc bổ sung nhựa TPU lên các tính chất cơ học của thảm chế tạo được thực hiện bằng cách cắt màng sợi nano thành các miếng hình chữ nhật bằng nhau (1 x6 cm). Các mẫu được cố định giữa các khung giữ có chiều dài đo là 4 cm. Một máy thí nghiệm đa năng đã được sử dụng để thực hiện đường cong ứng suất-biến dạng. Thử nghiệm kéo được tiến hành ở tốc độ biến dạng bằng 10 mm/phút với tải ban đầu bằng 0 bằng cách sử dụng cảm biến tải trọng 100 N
Đặc tính áp điện: Các màng sợi nano nhựa PVDF và nhựa TPU tổng hợp đã được thử nghiệm dưới tải trọng tuần hoàn bằng cách sử dụng một thiết bị kích thích được chế tạo cho mục đích này. Dụng cụ này bao gồm một cụm pít tông lò xo nhẹ dao động theo phương thẳng đứng. Tần số kích thích được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ của động cơ DC không chổi than dẫn động pít tông bằng bộ điều khiển tốc độ điện tử. Mẫu được kẹp giữa hai tấm giấy bạc được nối qua dây được che chắn với máy hiện sóng trở kháng cao (Tektronix MDO3014) và sau đó được đặt bên dưới pít tông. Tải trọng tối đa được kiểm soát bằng cách kiểm soát chiều cao của pít tông và do đó thay đổi khoảng cách nén của lò xo khi tiếp xúc với mẫu trong quá trình vận hành. Lực tác dụng tối đa nằm trong khoảng từ 1 đến 3 N và điện áp từ đỉnh đến đỉnh được đo tương ứng
Đặc tính tải xung: Tín hiệu điện áp áp điện từ các sợi nano nhựa PVDF và nhựa TPU được phân tích thông qua thiết lập tải xung đơn giản, như trong. Các tấm sợi nano được đặt giữa hai tấm đồng, nối với máy hiện sóng trở kháng cao thông qua các dây được che chắn và tiếp xúc với các trọng lượng khác nhau trong khoảng thời gian đó. thử nghiệm tải xung. Các vật nặng có khối lượng từ 50 đến 250 g được thả xuống các sợi nano được kẹp từ độ cao cố định 5 cm. Điện áp thu được sau đó được phát hiện và đánh giá
Đặc điểm hình thái: Thể hiện ảnh SEM của sợi nano tổng hợp nhựa PVDF nhựa TPU. Sự phân bố sợi đồng nhất với sự hình thành hạt tối thiểu. Đường kính sợi trung bình đã được tính toán và biểu đồ phân bố sợi. Kết quả cho thấy đường kính sợi trung bình của nhựa PVDF nguyên chất và thảm composite hỗn hợp trong phạm vi từ 254 nm đến 267 nm. Người ta quan sát thấy rằng việc bổ sung nhựa TPU không ảnh hưởng đáng kể đến đường kính sợi, điều này đảm bảo tính tương thích và tính đồng nhất cao của dung dịch polyme hỗn hợp
Đặc tính vật lý: Phổ FT-IR của màng tổng hợp sợi nano. Dữ liệu FT-IR được giới thiệu để xác định các pha tinh thể của nhựa PVDE. Nhựa PVDF có thể được hình thành ở năm pha tinh thể khác nhau (a, ẞ, y, 8 và ε). Pha a được coi là pha không phân cực ổn định và thu được nhiều nhất của nhựa PVDF, trong khi pha B chịu trách nhiệm tăng cường các đặc tính áp điện. Các nhà khoa học nhận thấy rằng quy trình quay điện có thể cải thiện tính áp điện của nhựa PVDF bằng cách tăng hàm lượng pha ẞ; điều này có thể là do tác động của điện trường cao, khiến các lưỡng cực được sắp xếp theo cùng một hướng vuông góc với trục chuỗi tạo thành sự phân cực tự phát và thể hiện hiệu ứng áp điện mạnh. Biểu đồ hiển thị các dải đặc trưng chính của nhựa PVDF ở mức 840 cm-¹ đối với CH, rung chuyển, C-C và CF, kéo dài, 1175 và 1400 cm-¹ đối với các dao động C-F và C-H, tương ứng43-45. Trong khi các dải đặc trưng của nhựa TPU xuất hiện ở 1533, 1735, 2971, 3365 cm-¹ tương ứng với -CONH- liên kết không đối xứng, độ giãn dài C=O, C-H và N-H tương ứng. làm rõ sự giảm cường độ trong dải hấp thụ nhựa PVDF khi hàm lượng nhựa TPU ngày càng tăng. Hơn nữa, các đỉnh đặc trưng của nhựa TPU xuất hiện mạnh mẽ khi bổ sung nồng độ nhựa TPU cao hơn so với nhựa PVDF nguyên chất
Hàm lượng tấm beta phân cực cao đáng kể đã được quan sát thấy đối với nhựa PVDF nguyên chất và nhựa TPU 15%, xác nhận phản ứng áp điện vượt trội của thảm composite nhựa TPU 15%. Có báo cáo cho rằng sự cải thiện hàm lượng pha ẞ trong sợi nano quay điện là do tia polyme kéo dài dưới điện trường cao bên trong quá trình quay điện. Do đó, hàm lượng pha B cao của TPU 15% có thể là do tác động của độ đàn hồi cơ học nhựa TPU trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho việc định hướng lại các lưỡng cực điện bên trong sợi nano tổng hợp khi tiếp xúc với kích thích cơ học được áp dụng. Tuy nhiên, hàm lượng nhựa TPU càng tăng trên 15%; hỗn hợp mất đi tính phân cực thu được và nội dung của các tấm beta tương ứng từ PVDF
Phân tích cơ học: Các đường cong ứng suất-biến dạng của màng sợi nano tổng hợp nhựa PVDF/TPU. Rõ ràng là việc bổ sung nhựa TPU đã cải thiện đáng kể tính chất cơ học của màng được sản xuất. Nhựa TPU 25% và 30% cho thấy độ bền kéo tối đa gần như tương tự là ~ 7 MPa và độ đứt gãy là ~ 97%. Trong khi nhựa PVDF nguyên chất và nồng độ nhựa TPU thấp (5% và 10%) cho thấy độ đàn hồi thấp với độ bền kéo dưới 2 MPa và độ giãn dài khi đứt là 23%. Như đã thấy, việc tăng hàm lượng nhựa TPU lên tới 30% đã làm tăng độ đàn hồi của màng hơn gấp 4 lần so với nhựa PVDE nguyên chất. Nhựa TPU 15% cho thấy hoạt động tối ưu giữa nồng độ nhựa TPU cao và thấp với độ bền kéo là 3,8 MPa và độ đứt gãy là 82%. Các đặc tính đàn hồi cơ học vượt trội này của màng composite nhựa PVDF/TPU khiến chúng trở thành ứng cử viên sáng giá cho một số ứng dụng cần độ đàn hồi cao, chẳng hạn như máy đo biến dạng, chữa lành vết thương và lọc không khí
Đặc tính áp điện: Phân tích lực-điện áp của sợi nano tổng hợp nhựa PVDF và nhựa TPU. Về phân tích Lực-Điện áp đối với các nồng độ nhựa PVDF/TPU khác nhau, Từng mẫu được thử nghiệm cùng với điện áp thu được ở lực tối thiểu và tối đa được sử dụng. Có thể lưu ý rằng điện áp tạo ra dường như tăng lên bằng cách tăng lực tác dụng và nồng độ nhựa TPU. Tuy nhiên, các nhà khoa học nghiên cứu thấy rằng sự gia tăng lớn về nồng độ nhựa TPU dẫn đến điện áp đỉnh tới đỉnh thấp hơn hoặc mang lại kết quả gây rối. Thảm sợi nano tổng hợp nhựa PVDF/TPU với nồng độ 15% nhựa TPU dường như có giá trị cao nhất, trong khi nồng độ nhựa TPU cao nhất (30%) cho kết quả không ổn định. Kết quả này đã được xác nhận bằng một nghiên cứu gần đây điều tra ảnh hưởng của việc bổ sung nhựa TPU và bismuth natri titanate oxit đa tinh thể (BNT) lên hệ số áp điện của nhựa PVDF. Các thí nghiệm cho thấy cường độ ghép điện cơ cắt mặt bị ảnh hưởng đáng kể khi bổ sung nhựa TPU. Sự tăng cường đáng kể của hệ số áp điện d đạt được khi một phần nhỏ nhựa TPU (<5%) được đưa vào hỗn hợp. Trong phạm vi 5-20%, có thể đạt được mức tăng gần như tuyến tính của d; sau đó, nó giảm ở nồng độ nhựa TPU cao hơn (>20%)2. Sự phân cực bên trong nanocompozit chủ yếu theo chiều dày của tấm thảm do hướng điện trường bên trong quá trình quay điện. Tuy nhiên, nhựa TPU chủ yếu ảnh hưởng đến biến dạng cắt
Kết luận
Các nhà đã nghiên cứu các đặc tính của thảm nanocompozit đàn hồi áp điện. Thảm sợi nano tổng hợp được cấu tạo từ nhựa PVDF với nhựa TPU. Hiệu suất áp điện của nanocompozit có liên quan đến nhựa PVDE và tính năng đàn hồi liên quan đến nhựa TPU pha trộn. Thảm tổng hợp của họ đã được sử dụng để tạo ra điện áp dưới tác dụng của các kích thích cơ học khác nhau, chẳng hạn như ứng suất cơ học, với cả lực và tần số rung được kiểm soát, cùng với tải xung thông qua khối lượng rơi. Phản ứng áp điện tối ưu được tìm thấy ở tỷ lệ pha trộn của nhựa TPU trong khoảng từ 15 đến 17,5% trọng lượng, dựa trên điện áp đầu ra và độ nhạy áp điện. Mặc dù tỷ lệ nhựa PVDF giảm nhưng độ đàn hồi cơ học của nhựa TPU pha trộn giúp cải thiện phản ứng áp điện của nanocompozit. Kết luận này đã được hỗ trợ bởi các phép đo khác nhau về điện áp áp điện ở các biên độ và tần số khác nhau của lực dao động, cùng với các khối lượng rơi xung. Trong khi đó, phân tích FTIR cho thấy tấm beta của nanocompozit 85:15 gần bằng thảm sợi nano nhựa PVDF nguyên chất. Vật liệu nano composite Piezo đàn hồi cải tiến này có thể được ứng dụng trong màng thu năng lượng và thiết bị điện tử đeo trên người