Dehnbare Nanofasern aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)/thermoplastischem Polyurethan (TPU)-Nanokomposit zur Unterstützung der piezoelektrischen Reaktion durch mechanische Elastizität

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8335 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Interesse an piezoelektrischen Nanokompositen hat im Bereich der Energiegewinnung enorm zugenommen. Sie werden in tragbarer Elektronik, mechanischen Aktoren und elektromechanischen Membranen eingesetzt. In dieser Forschungsarbeit wurden Nanokompositmembranen unterschiedlicher Mischungsverhältnisse aus PVDF und TPU synthetisiert. Das PVDF ist für die piezoelektrische Leistung verantwortlich, wobei es eines der vielversprechenden polymeren organischen Materialien mit β-Faltblättern ist, um ausgeübte mechanische Spannung in elektrische Spannung umzuwandeln. Darüber hinaus wird TPU aufgrund seiner überlegenen Elastizität häufig in der Kunststoffindustrie eingesetzt. Unsere Arbeit untersucht die Piezoresponse-Analyse für verschiedene Mischungsverhältnisse von PVDF/TPU. Es wurde festgestellt, dass TPU-Mischungsverhältnisse von 15–17,5 % zu einer höheren Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Belastungsbedingungen sowie zu einer höheren Piezoempfindlichkeit führen. Dann kann der Zusatz von TPU mit seiner überlegenen mechanischen Elastizität PVDF teilweise kompensieren, um die piezoelektrische Reaktion der PVDF/TPU-Nanokompositmatten zu verbessern. Diese Arbeit kann dazu beitragen, die Menge an zugesetztem PVDF in piezoelektrischen Membranen zu reduzieren und die Piezoempfindlichkeit und mechanische Elastizität zu verbessern.

In den letzten Jahrzehnten wurden umfangreiche Forschungen zur Nutzung alternativer Energiequellen durchgeführt1. Dies ist vor allem auf die Nutzung verschiedener sauberer und erneuerbarer Energiequellen aufgrund ihrer Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit zurückzuführen2. Darüber hinaus stehen in jüngster Zeit Energy-Harvesting-Technologien im Mittelpunkt, bei denen verschwendete Energie aus der Umgebung genutzt wird. Solche Technologien können Vibrationen, Wärme, Licht, Strahlung, Wind und Wasser in elektrische Energie für Geräte mit geringem Stromverbrauch umwandeln1. Die Forschung hat sich auch weiter auf die Energiegewinnung in biomedizinischen Anwendungen ausgeweitet3 und bietet vielversprechende biomedizinische Sensoren und tragbare Elektronik4,5, aufgrund der Fähigkeit, kinetische Energie in Form von Vibrationen aus direkten menschlichen Aktivitäten wie Gehen, Laufen und Fingertippen zu gewinnen Herzschlag und Atmung6,7. Die kinetische Energie wird auf der Grundlage von drei Transduktionsmechanismen gewonnen; piezoelektrisch, elektromagnetisch oder elektrostatisch. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihres einfachen Designs und der Möglichkeit, sie auf Geräte im Mikro- und Nanomaßstab zu verkleinern, haben piezoelektrische Energieernter die größte Aufmerksamkeit erregt8,9,10. Piezoelektrische Materialien verfügen außerdem über die einzigartige Fähigkeit, mechanische Energie ohne externe Eingabe direkt in Elektrizität umzuwandeln11,12. Daher wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um leistungsstarke piezoelektrische Nanogeneratoren unter Verwendung organischer und anorganischer Materialien zu entwickeln13,14,15.

Es wurde festgestellt, dass organische piezoelektrische Materialien größere Vorteile als anorganische Materialien haben, einschließlich einer höheren Verarbeitbarkeit16. Es hat sich gezeigt, dass solche Materialien in einer Vielzahl von Geräten anwendbar sind, wobei Materialien auf Polymerbasis aufgrund ihrer inhärenten Flexibilität, die ein hohes Maß an Biegsamkeit und biologischer Abbaubarkeit bieten, bevorzugter sind17,18. Von allen piezoelektrischen Polymeren haben Poly(vinylidenfluorid) (PVDF)-Folien bisher die höchsten piezoelektrischen Leistungen gezeigt19,20,21. Aufgrund der polaren kristallinen Natur von PVDF ist es aufgrund seiner Fähigkeit, große Spannungen mit geringen Kräften zu erzeugen, für piezoelektrische Anwendungen geeignet20,22,23. Die piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF hängen hauptsächlich von seiner β-Phase ab, einer seiner vier kristallinen Phasen22,24. Neben seinem geringen Gewicht, seiner Flexibilität, seiner Lösungsmittelbeständigkeit und seiner Stabilität unter hohen elektrischen Feldern gilt es als optimales Biomaterial für Anwendungen in Energieerntemaschinen, Kraftsensoren und Wandlern.

PVDF-Nanofasern sind der Hauptkandidat für solche Anwendungen, insbesondere tragbare und implantierbare Geräte. Zu den wichtigsten Techniken zur Herstellung solcher Fasern gehören Elektrospinnen, Schmelzspinnen und Zentrifugalspinnen25,26. Das Elektrospinnen war am vielversprechendsten, da es Nanofasern aus Lösungen oder Schmelzen mit variablen Durchmessern bilden kann. Darüber hinaus wurde berichtet, dass der β-Phasengehalt in durch Elektrospinnen hergestellten PVDF-Nanofasern höher ist als der von gegossenen PVDF-Filmen, wodurch deren piezoelektrische Eigenschaften verbessert werden27.

Elektrospinnen bietet auch die Möglichkeit, die piezoelektrischen Eigenschaften der hergestellten PVDF-Nanofasern weiter zu verbessern, da es ausgerichtete Fasern mit Hohlstrukturen oder verschiedenen Additiven für eine verbesserte Leistung herstellen kann28. Zu diesen Zusatzstoffen gehören Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen und ZnO29. In einer früheren Studie wurde erfolgreich ein Nanogenerator aus PVDF-ZnO-Nanokomposit hergestellt und gezeigt, dass die Zugabe von ZnO-Partikeln die Ausgangsspannung erhöhte30. Darüber hinaus wurden piezoelektrische Nanogeneratoren mit ZnO erfolgreich in lebende Ratten implantiert, um Energie aus Herzschlägen und Atembewegungen zu gewinnen. Diese Studie hat ein großes Potenzial für die Verwendung von PVDF-ZnO-Nanogeneratoren als Stromquelle für implantierbare biomedizinische elektronische Geräte gezeigt, was auf ein großes Potenzial für solche Geräte bei Anwendungen im Zusammenhang mit der Normalisierung des Herzschlags und der Hirnstimulation zur Behandlung von Bewegungsstörungen schließen lässt31. Darüber hinaus wurden PVDF und seine Copolymere für Druckmessanwendungen eingesetzt und dienen als Überwachungsgeräte für Atemsignale im Gesundheitswesen. Verbundwerkstoffe aus PVDF und Graphenoxiden wurden auch für vielfältige sensorische Anwendungen entwickelt und weisen eine hohe Empfindlichkeit für die gleichzeitige Überwachung von Arterienpulsdrücken und -temperaturen auf32. PVDF-Nanofasern wurden aufgrund ihrer hervorragenden Flexibilität auch für die Anwendung in Blutdrucksensoren untersucht33 und wurden erfolgreich an einem In-vitro-Modell getestet, bei dem PVDF-Dünnfilme um die Aorta gewickelt wurden und damit periodische Signale für Ausgangsstrom und -spannung erzeugt wurden die Bewegung der Arterie, was eine große Empfindlichkeit zeigt.

Im Vergleich zu mehreren Verbundwerkstoffen hat der Zusatz von thermoplastischem Polyurethan (TPU) ein großes Potenzial zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gezeigt34. Solche Eigenschaften können für Anwendungen in der Wundheilung und Filtration erforderlich sein.

In mehreren Studien wurden die Eigenschaften und die Leistung von PVDF/TPU-Verbundmatten für verschiedene elektrische und biomedizinische Anwendungen untersucht35,36,37,38. Für die Wundheilung wurden elektrogesponnene Gerüste aus PVDF/TPU eingeführt, bei denen aufgrund der Piezoelektrizität des Verbundmaterials eine Verbesserung der Zellmigration und der Fibroblastenaktivitäten beobachtet werden konnte39. In einer weiteren Studie wurden die Veränderungen der piezoelektrischen und mechanischen Eigenschaften durch die Zugabe von TPU mit PVDF-Nanofasern untersucht40. Die Ergebnisse zeigten eine größere Flexibilität bei Dipolanregungen innerhalb von PVDF aufgrund des elastischen Anteils von TPU. (GO)/Bi2S3-PVDF/TPU-Verbundnanofasermatte wurde für photothermische Anwendungen41 entwickelt und kombiniert GO/Bi2S3-Nanopartikel als photothermisches Umwandlungsmaterial und eine elektrogesponnene PVDF/TPU-Membran als Substrat. Die Ergebnisse ergaben, dass die neuartige Hybridmatte eine Lichtabsorptionsrate von etwa 95 % in einem Wellenlängenbereich von 400–2500 nm aufweist. Darüber hinaus verbesserte die Anwesenheit von TPU die mechanische Festigkeit der Verbundfolie deutlich. TPU und polykristallines Wismut-Natriumtitanat-Oxid (Bi0,5Na0,5TiO3; BNT) wurden mit (PVDF) gemischt und mit Hilfe eines Rakelbeschichters gegossen, um ihre Wirkung auf die piezoelektrische Reaktion von Verbundmembranen zu untersuchen42. Die bemerkenswerte Verbesserung des piezoelektrischen Koeffizienten der Flächenscherung (d36) wurde durch die Anpassung des Mischungsgehalts von TPU aufgrund der Bildung von Mikroporenstrukturen deutlich, was den Ladungstransfer unter verschiedenen Spannungsarten erleichtert.

In unserer Arbeit analysieren wir die detaillierten mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften verschiedener Mischungsverhältnisse von PVDF- und TPU-Nanofasermatten, die durch den Elektrospinnprozess synthetisiert werden. Im Detail prüfen wir die optimalen Mischungsverhältnisse, um bei unterschiedlichen angelegten Kräften die maximale Spannung zu erzeugen. Darüber hinaus zeigen wir den Einfluss der Frequenz der ausgeübten Kraft auf das Piezoreaktionsverhalten verschiedener gemischter Nanofasermatten. Diese Arbeit ist hilfreich für tragbare Elektronik und Energiegewinnungseinheiten.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) (Kynar, Arkema, PA, USA) wird von ARKEMA geliefert und thermoplastisches Polyurethan (TPU) mit einem Polydispersitätsindex (PDI) von 1,83 und einem Molekulargewicht von 107.020 g mol−1 wird von (BASF Co., Ltd.) geliefert ., Berlin, Deutschland). Bekannte Polymerkonzentrationen wurden in Dimethylformamid (DMF 98 %, Sigma Aldrich, Taufkirchen, Deutschland) dispergiert.

Verschiedene Mischungsverhältnisse von PVDF- und TPU-Lösung mit einer konstanten Polymerkonzentration von 10 % wurden hergestellt und durch den Elektrospinning-Aufbau verarbeitet. Eine vergleichende Untersuchung der Auswirkung der TPU-Zugabe auf die piezoelektrischen und mechanischen Eigenschaften von PVDF-Matten wurde anhand von fünf verschiedenen Mischungsverhältnissen von PVDF/TPU (95:5, 90:10, 87,7:12,5, 85:15, 82,5:17,5, 80:20, 75:25 und 70:30). Der Elektrospinnprozess wurde durchgeführt, indem 10 ml Polymerlösung in eine Kunststoffspritze mit einer Edelstahlnadel gegeben wurden. Die positiven Spannungen wurden von einem Hochspannungsnetzteil CZE1000R (Spellman, Hauppauge, NY, USA) an die Metallnadel mit Stärke 18 angelegt, um Spannungen um 25 kV mit einer konstanten Zufuhrrate von (1 ml/h) unter Verwendung von a anzulegen NE1000 Spritzenpumpe (New Era Pump Systems, Suffolk County, NY, USA). Nadel-Kollektor-Abstand auf 10 cm eingestellt. Zufälliger PVDF/TPU-Nanofaserverbund wurde auf einem Trommelkollektor gesammelt, der mit Aluminiumfolie bedeckt und mit dem Boden verbunden war.

Die Morphologie von PVDF/TPU-Nanofasern (NFs) wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (JEOL JSM-6010LV-SEM, Tokio, Japan) mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV beobachtet. Die Nanofasermatten wurden auf Kohlenstoffband gelegt, das auf Aluminiumstummeln befestigt war, und mit Platin sputterbeschichtet. Der Durchmesser der NFs wurde mit der Image-J-Software (Madison, WI, USA) analysiert. Die durchschnittliche Faserdurchmesserverteilung wurde manuell durch Messung der Länge durch Fasergrenzen bei verschiedenen Abbildungsmaßstäben (50 µm, 10 µm und 1 µm) ermittelt. Das Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FT-IR) (Vertex 70 FT-IR, Bruker, Billerica, MA, USA) wurde im ATR-Modus eingestellt. Die Proben wurden 120 Mal mit einer Auflösung von 5 cm−1 über einen Bereich von 4000–400 cm−1 gescannt, um die chemischen Funktionsgruppen der gemischten Matten zu untersuchen.

Die Auswirkung der TPU-Zugabe auf die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Matten wurde getestet, indem die Nanofasermembranen in gleiche rechteckige Stücke (1 × 6 cm) geschnitten wurden. Die Proben wurden zwischen Halterahmen mit einer Messlänge von 4 cm fixiert. Zur Durchführung der Spannungs-Dehnungs-Kurve wurde eine Universalprüfmaschine (TENSO LAB 5000, Mesdan, Italien) verwendet. Der Zugversuch wurde bei einer Dehnungsgeschwindigkeit von 10 mm/min ohne Anfangslasten unter Verwendung einer Kraftmessdose von 100 N durchgeführt.

Die synthetisierten PVDF/TPU-Nanofasermembranen wurden unter zyklischer Belastung mit einem zu diesem Zweck konstruierten Anregungsgerät getestet (Abb. 1). Das Instrument besteht aus einer leichten Federkolbenbaugruppe, die vertikal schwingt. Die Erregerfrequenz wird durch Variieren der Geschwindigkeit des bürstenlosen Gleichstrommotors, der den Kolben antreibt, mithilfe eines elektronischen Geschwindigkeitsreglers gesteuert. Die Probe wird zwischen zwei Folienbögen gelegt, die über abgeschirmte Drähte mit einem hochohmigen Oszilloskop (Tektronix MDO3014) verbunden sind, und dann unter den Kolben gelegt. Die maximale Belastung wird durch die Steuerung der Höhe des Kolbens und damit durch Änderung des Kompressionswegs der Feder beim Kontakt mit der Probe während des Betriebs gesteuert. Die maximal ausgeübte Kraft lag zwischen 1 und 3 N und die Spitze-zu-Spitze-Spannung wurde entsprechend gemessen.

Schematische Darstellung des piezoelektrischen Charakterisierungsaufbaus (a) und ein Bild des realen Aufbaus (b).

Piezoelektrische Spannungssignale von den PVDF/TPU-Nanofasern wurden durch einen einfachen Impulsbelastungsaufbau analysiert, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Nanofasermatten wurden zwischen zwei Kupferblechen platziert, über abgeschirmte Drähte mit einem Hochimpedanz-Oszilloskop verbunden und unterschiedlichen Gewichten ausgesetzt der Impulsbelastungstest. Die Gewichte im Bereich von 50 bis 250 g wurden aus einer festen Höhe von 5 cm auf die eingebetteten Nanofasern fallen gelassen. Anschließend wurde die resultierende Spannung erfasst und ausgewertet (Abb. 2).

Schematische Darstellung des Impulsbelastungsaufbaus (a) und ein Bild des realen Aufbaus (b).

Abbildung 3 zeigt die REM-Bilder von PVDF/TPU-Verbundnanofasern. Die Bilder zeigen eine homogene Faserverteilung mit minimaler Perlenbildung. Der durchschnittliche Faserdurchmesser wurde berechnet und ein Histogramm der Faserverteilung ist in Abb. 3 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen einen durchschnittlichen Faserdurchmesser für reines PVDF und gemischte Verbundmatten im Bereich von 254 nm bis 267 nm. Es wurde beobachtet, dass der TPU-Zusatz den Faserdurchmesser nicht wesentlich beeinflusste, was eine hohe Kompatibilität und Homogenität der gemischten Polymerlösung gewährleistet.

REM-Bilder von Nanofaser-Verbundmembranen aus reinem PVDF (a), 15 % TPU (b), 25 % TPU (c) und 30 % TPU (d).

Die FT-IR-Spektren von nanofaserigen Verbundmembranen sind in Abb. 4 dargestellt. Die FT-IR-Daten werden eingeführt, um die kristallinen Phasen von PVDF zu identifizieren. PVDF kann in verschiedenen fünf kristallinen Phasen (α, β, γ, δ und ε) gebildet werden. Die α-Phase gilt als die am besten erhaltene und stabilste unpolare Phase von PVDF, während die β-Phase für die Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften verantwortlich ist. Es wurde festgestellt, dass der Elektrospinnprozess die Piezoelektrizität von PVDF durch Erhöhung des β-Phasengehalts verbessern kann; Dies kann auf die Wirkung des hohen elektrischen Feldes zurückgeführt werden, das dazu führt, dass die Dipole in die gleiche Richtung normal zur Kettenachse ausgerichtet werden, wodurch eine spontane Polarisation entsteht und ein starker piezoelektrischer Effekt entsteht. Wie in Abb. 4a dargestellt, zeigt das Diagramm die wichtigsten charakteristischen Bänder für PVDF bei 840 cm-1 für CH2-Schwingungen, CC- und CF2-Streckung, 1175 und 1400 cm-1 für CF- bzw. CH-Schwingungen43,44,45 . Während die charakteristischen Banden von TPU bei 1533, 1735, 2971 und 3365 cm-1 auftraten, entsprechend der asymmetrischen Bindung –CONH–, C=O-, C-H- bzw. N-H-Streckung46,47. Die resultierenden Daten in Abb. 4a verdeutlichen die Intensitätsabnahme der PVDF-Absorptionsbanden mit zunehmendem TPU-Gehalt. Darüber hinaus traten die charakteristischen Peaks von TPU bei Zugabe höherer TPU-Konzentrationen im Vergleich zum reinen PVDF deutlich auf, wie in Abb. 4b, c dargestellt.

FT-IR-Kurven für PVDF/TPU-Verbundnanofasern.

Der Beta-Phasengehalt wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet, die aus dem Beer-Lambert-Gesetz abgeleitet wurde;

wobei Aα und Aβ die Intensitäten der Absorptionsbanden bei 764 cm−1 bzw. 840 cm−1 sind.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde für reines PVDF und 15 % TPU ein bemerkenswert hoher Gehalt an polaren Beta-Faltblättern beobachtet, was die überlegene piezoelektrische Reaktion der Verbundmatte mit 15 % TPU bestätigt. Es wurde berichtet, dass die Verbesserung des β-Phasengehalts in elektrogesponnenen Nanofasern auf die Polymerstrahlstreckung unter einem hohen elektrischen Feld innerhalb des Elektrospinnprozesses zurückzuführen ist45. Daher kann der hohe β-Phasengehalt für TPU von 15 % auf die Wirkung der mechanischen Elastizität von TPU zurückgeführt werden, die die Neuausrichtung elektrischer Dipole innerhalb der Verbundnanofaser unter Einwirkung mechanischer Anregung erleichtert42. Je mehr der TPU-Gehalt jedoch über 15 % steigt; Der Verbundwerkstoff verliert die daraus resultierende Polarisierbarkeit und den entsprechenden Beta-Faltblatt-Gehalt des PVDF.

Abbildung 5 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven von PVDF/TPU-Verbund-Nanofasermembranen. Es konnte deutlich beobachtet werden, dass die Zugabe von TPU die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Membranen deutlich verbesserte. TPU 25 % und 30 % zeigten eine nahezu ähnliche maximale Zugfestigkeit von ~ 7 MPa und Bruchdehnung von ~ 97 %. Während das reine PVDF und niedrige TPU-Konzentrationen (5 % und 10 %) eine geringe Elastizität mit einer Zugfestigkeit unter 2 MPa und einer Bruchdehnung von 23 % zeigten. Wie man sieht, hat die Erhöhung des TPU-Anteils auf bis zu 30 % die Elastizität der Membran um mehr als das Vierfache im Vergleich zu reinem PVDF erhöht. TPU 15 % zeigte ein optimales Verhalten zwischen hohen und niedrigen TPU-Konzentrationen mit einer Zugfestigkeit von 3,8 MPa und einer Bruchdehnung von 82 %. Diese überlegenen mechanischen Elastizitätseigenschaften von PVDF/TPU-Verbundmembranen machen sie zu einem guten Kandidaten für verschiedene Anwendungen, die eine hohe Elastizität erfordern, wie z. B. Dehnungsmessstreifen, Wundheilung und Luftfiltration39,48,49.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von PVDF/TPU-Verbundnanofasern.

In Bezug auf die Kraft-Spannungs-Analyse für verschiedene PVDF/TPU-Konzentrationen zeigt Tabelle 2 jede getestete Probe zusammen mit der resultierenden Spannung bei den minimalen und maximalen verwendeten Kräften. Es ist zu erkennen, dass die resultierende Spannung scheinbar zunahm, wenn die ausgeübte Kraft und die TPU-Konzentration zunahmen. Es zeigt sich jedoch, dass ein starker Anstieg der TPU-Konzentrationen zu niedrigeren Spitze-zu-Spitze-Spannungen führte oder störende Ergebnisse lieferte. Die PVDF/TPU-Verbund-Nanofasermatten mit einer Konzentration von 15 % TPU schienen den höchsten Wert aufzuweisen, während die höchste Konzentration an TPU (30 %) instabile Ergebnisse lieferte. Dieses Ergebnis wurde durch eine aktuelle Studie bestätigt, die den Effekt der Zugabe von TPU und Bismut-Natriumtitanat-polykristallinem Oxid (BNT) auf den piezoelektrischen Koeffizienten von PVDF42 untersucht. Die Experimente zeigten, dass die Intensität der elektromechanischen Flächenscherkopplung durch die Zugabe von TPU erheblich beeinflusst wird. Eine deutliche Verbesserung des piezoelektrischen Koeffizienten d36 wird erreicht, wenn ein kleiner Anteil TPU (≤ 5 %) in den Verbundwerkstoff eingebracht wird. Im Bereich von 5–20 % kann ein nahezu linearer Anstieg von d36 erreicht werden; dann nimmt sie bei höherer TPU-Konzentration (> 20 %) ab42. Die Polarisation innerhalb des Nanokomposits erfolgt aufgrund der elektrischen Feldrichtung innerhalb des Elektrospinnprozesses hauptsächlich in Richtung der Mattendicke. Allerdings wirkt TPU meist auf eine Scherdehnung ein. Basierend auf der resultierenden Verbesserung der Piezoreaktion glauben wir, dass eine solche Scherspannung zu einer besseren Ausrichtung der Polarisierbarkeit beiträgt, um mehr ausgerichtete Dipole in Richtung der Dicke zu erzeugen und folglich die erzeugte Ausgangsspannung bei der auf die Probe ausgeübten Normalkraft zu erhöhen.

Um die Auswirkungen der Frequenz (f) auf die verschiedenen PVDF/TPU-Verbundwerkstoffe besser hervorzuheben, wurde ein Vergleich zwischen PVDF/TPU 30 % und PVDF/TPU 10 % durchgeführt, wobei zyklische Kräfte mit einer Rate von 16 Hz und 8 Hz angewendet wurden. Daraus lässt sich schließen, dass relativ niedrigere TPU-Konzentrationen besser auf mechanische Schwingungsfrequenzen reagierten. Im Vergleich dazu führte eine höhere TPU-Konzentration in den PVDF/TPU-Verbundnanofasern zu instabilen Peaks und einem nicht nachweisbaren elektrischen Potenzial. Beide Abb. 6 und 7 zeigen die Beziehung zwischen Spitze-zu-Spitze-Spannung und ausgeübten Kräften auf PVDF/TPU-Verbundmatten bei verschiedenen konstanten Frequenzen von 8 Hz bzw. 16 Hz. Abbildung 8 zeigt, dass 15 % TPU das beste Mischungsverhältnis sind, um die maximale Ausgangsspannung bei unterschiedlichen angelegten mechanischen Vibrationsfrequenzen zu erzeugen, zusammen mit einem besseren linearen Verhalten innerhalb der Spannungs-Kraft-Beziehung im Vergleich zu anderen Mischungsverhältnissen in der Nähe von 12,5 und 17,5 Gew.-%. Es lässt sich jedoch beobachten, dass die 17,5 Gew.-% im Vergleich zu anderen Mischungsverhältnissen eine bessere Piezoempfindlichkeit aufweisen. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass der Bereich zwischen 15 und 17,5 Gew.-% des TPU-Mischungsverhältnisses die beste piezoelektrische Leistung im Hinblick auf Ausgangsspannung und Piezoempfindlichkeit aufweist.

Verhältnis zwischen Spitze-zu-Spitze-Spannung und ausgeübten Kräften bei einer Frequenz von 8 Hz.

Verhältnis zwischen Spitze-zu-Spitze-Spannung und ausgeübten Kräften bei einer Frequenz von 16 Hz.

Ausgangsspannung bei unterschiedlichen mechanischen Frequenzen bei einer aufgebrachten Kraft von 3 N.

Die piezoelektrische Reaktion von Nanofasermatten aus verschiedenen PVDF/TPU-Verbundwerkstoffen wurde unter Impulsbelastung aus einer festen Höhe von 1 cm analysiert. Bei den meisten Proben wurde beobachtet, dass die resultierende Spannung zunahm, während das exponierte Gewicht zunahm, wie in Abb. 9 dargestellt. Eine relativ höhere Ausgangsspannung ergab sich für reines PVDF, während PVDF/TPU-Mischverbundmatten am höchsten Punkt eine offensichtliche Abnahme des elektrischen Potenzials zeigten Freigelegtes Gewicht (150 g). Darüber hinaus wurde beobachtet, dass TPU 15 % im Vergleich zu den anderen Proben ähnliche oder ähnliche Ausgangsspannungswerte wie reines PVDF aufwies.

Piezoelektrische Reaktion verschiedener PVDF/TPU-Verbund-Nanofasermatten bei unterschiedlicher Impulsgewichtsbelastung aus 5 cm Höhe.

In dieser Arbeit untersuchten wir die Eigenschaften von piezoelektrischen elastischen Nanokompositmatten. Die synthetisierten Nanofasermatten bestanden aus PVDF mit TPU. Die piezoelektrische Leistung des Nanokomposits hängt mit PVDF zusammen, und die Elastizitätseigenschaft hängt mit dem gemischten TPU zusammen. Unsere synthetisierten Matten wurden zur Erzeugung elektrischer Spannung unter der Wirkung verschiedener mechanischer Anregungen, wie z. B. mechanischer Spannungen, mit kontrollierten Kräften und Vibrationsfrequenzen sowie Impulsbelastungen durch fallende Massen verwendet. Die optimale piezoelektrische Reaktion wird bei einem Mischungsverhältnis von TPU zwischen 15 und 17,5 Gew.-%, basierend auf Ausgangsspannung und Piezoempfindlichkeit, gefunden. Obwohl der PVDF-Anteil verringert ist, führt die mechanische Elastizität des beigemischten TPU zu einer Verbesserung der piezoelektrischen Reaktion des Nanokomposits. Diese Schlussfolgerung wurde durch verschiedene Messungen der piezoelektrischen Spannung bei unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen der Vibrationskräfte sowie impulsartig herabfallender Massen gestützt. Unterdessen zeigte die FTIR-Analyse, dass die Beta-Blätter aus 85:15-Nanokomposit den reinen PVDF-Nanofasermatten nahezu ebenbürtig sind. Dieses innovative elastische Piezo-Nanokomposit kann in Energiegewinnungsmembranen und tragbaren Elektronikgeräten eingesetzt werden.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15428-8

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Das Projekt wurde von der Kuwait Foundation for the Advancement of Sciences unter dem Projektcode PR20-15SP-01 finanziert. Darüber hinaus möchten die Autoren ARKEMA für die Bereitstellung des PVDF-Polymers danken; Kynar-761.

Kuwait College of Science and Technology (KCST), 13133, Doha, Kuwait

Nader Shehata, Remya Nair, Rabab Boualayan, Ishac Kandas und Abdulrzak Masrani

Zentrum für intelligente Materialien, Nanotechnologie und Photonik (CSMNP), Smart CI Research Center, Universität Alexandria, Alexandria, 21544, Ägypten

Nader Shehata, Ishac Kandas, Eman Elnabawy, Nada Omran, Mohammed Gamal und Ahmed H. Hassanin

Fachbereich Ingenieurmathematik und Physik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Alexandria, Alexandria, 21544, Ägypten

Nader Shehata & Ishaq Kandas

USTAR Bioinnovations Center, Fakultät für Naturwissenschaften, Utah State University, Logan, UT, 84341, USA

Nader Shehata

Fakultät für Maschinenbau, Roberts Engineering Building, University College London (UCL), London, WC1E 7JW, Großbritannien

Rabab Boualayan

Micro System Design and Manufacturing Center, Fakultät für Maschinenbau, Bilkent-Universität, Ankara, 06800, Türkei

Abdulrzak Masrani

Abteilung für Materialwissenschaft und -technik, School of Innovative Design Engineering, Egypt-Japan University of Science and Technology (E-JUST), New Borg El-Arab City, Alexandria, Ägypten

Ahmed H. Hassanin

Abteilung für Textiltechnik, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Alexandria, Alexandria, 21544, Ägypten

Ahmed H. Hassanin

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Die Rolle jedes Autors im Manuskript wird wie folgt dargestellt: Konzeptualisierung, durch NS und AH, Datenkuration, durch RB, RN, EE, NO und MG, formale Analyse, durch alle Autoren. Finanzierungseinwerbung, durch NS Investigation, durch NS, IK und AH Methodology, durch RB, RN, AM Projektverwaltung, durch NS Supervision, durch NS, IK und AH Writing – Originalentwurf, durch RB und EE Writing – Rezensionsredaktion, durch alle Autoren.

Korrespondenz mit Nader Shehata.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: Die ursprüngliche Version dieses Artikels enthielt einen Fehler in der Schreibweise des Autors Abdulrzak Masrani, der fälschlicherweise als Abdulrazak Masrani angegeben wurde.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shehata, N., Nair, R., Boualayan, R. et al. Dehnbare Nanofasern aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)/thermoplastischem Polyurethan (TPU)-Nanokomposit zur Unterstützung der piezoelektrischen Reaktion durch mechanische Elastizität. Sci Rep 12, 8335 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11465-5

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Eingegangen: 10. Dezember 2021

Angenommen: 14. März 2022

Veröffentlicht: 18. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11465-5

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