Nanofibre estensibili di nanocomposito di polivinilidenefluoruro (PVDF)/poliuretano termoplastico (TPU) per supportare la risposta piezoelettrica tramite elasticità meccanica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8335 (2022) Citare questo articolo

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Una correzione dell'autore a questo articolo è stata pubblicata il 28 giugno 2022

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L’interesse per i nanocompositi piezoelettrici è cresciuto notevolmente nel campo della raccolta di energia. Trovano applicazione nell'elettronica indossabile, negli attuatori meccanici e nelle membrane elettromeccaniche. In questo lavoro di ricerca sono state sintetizzate membrane nanocomposite con diversi rapporti di miscelazione da PVDF e TPU. Il PVDF è responsabile delle prestazioni piezoelettriche ed è uno dei materiali organici polimerici più promettenti contenenti fogli β, per convertire lo stress meccanico applicato in tensione elettrica. Inoltre, il TPU è ampiamente utilizzato nell'industria della plastica grazie alla sua elasticità superiore. Il nostro lavoro indaga l'analisi della risposta piezoelettrica per diversi rapporti di miscelazione di PVDF/TPU. È stato riscontrato che rapporti di miscelazione del TPU del 15–17,5% forniscono una tensione di uscita più elevata in diverse condizioni di stress insieme a una maggiore piezosensibilità. Quindi, l’aggiunta di TPU con la sua elasticità meccanica superiore può compensare parzialmente il PVDF per migliorare la risposta piezoelettrica dei tappetini nanocompositi PVDF/TPU. Questo lavoro può aiutare a ridurre la quantità di PVDF aggiunto nelle membrane piezoelettriche con maggiore sensibilità piezoelettrica ed elasticità meccanica.

Negli ultimi decenni sono state condotte ricerche approfondite sull’uso di fonti energetiche alternative1. Ciò è dovuto principalmente all’uso di varie fonti di energia pulite e rinnovabili grazie alla loro sostenibilità e rispetto dell’ambiente2. Inoltre, le tecnologie di raccolta dell’energia sono state recentemente l’obiettivo principale, dove viene utilizzata l’energia sprecata dagli ambienti ambientali. Tali tecnologie possono trasformare vibrazioni, calore, luce, radiazioni, vento e acqua in energie elettriche per dispositivi a basso consumo1. La ricerca si è inoltre estesa ulteriormente per includere la raccolta di energia nelle applicazioni biomediche3 e ha offerto promettenti sensori biomedici ed elettronica indossabile4,5, grazie alla capacità di raccogliere energia cinetica sotto forma di vibrazioni da attività umane dirette come camminare, correre e toccare con le dita per battito cardiaco e respirazione6,7. L'energia cinetica viene raccolta sulla base di tre meccanismi di trasduzione; piezoelettrico, elettromagnetico o elettrostatico. A causa della loro elevata densità di energia, del design semplice e della possibilità di essere ridotti a dispositivi su scala micro e nanometrica, gli raccoglitori di energia piezoelettrici hanno guadagnato la massima attenzione8,9,10. I materiali piezoelettrici possiedono anche la capacità unica di convertire direttamente l'energia meccanica in elettricità, senza input esterni11,12. Pertanto, sono stati compiuti numerosi sforzi per sviluppare nanogeneratori piezoelettrici ad alte prestazioni utilizzando materiali organici e inorganici13,14,15.

È stato riscontrato che i materiali piezoelettrici organici presentano maggiori vantaggi rispetto ai materiali inorganici, compreso un livello più elevato di lavorabilità16. Tali materiali si sono rivelati applicabili in un'ampia gamma di dispositivi, con i materiali a base polimerica che sono maggiormente preferiti a causa della loro intrinseca natura flessibile, fornendo un elevato grado di flessione e biodegradabilità17,18. Tra tutti i polimeri piezoelettrici, i film di poli(fluoruro di vinilidene) (PVDF) hanno mostrato le prestazioni piezoelettriche più elevate fino ad oggi19,20,21. A causa della natura cristallina polare del PVDF, la sua capacità di produrre grandi tensioni con basse forze lo ha reso favorevole per applicazioni piezoelettriche20,22,23. La proprietà piezoelettrica del PVDF dipende principalmente dalla sua fase β, una delle sue quattro fasi cristalline22,24. Oltre alla sua leggerezza, flessibilità, resistenza ai solventi e stabilità in campi elettrici elevati, è considerato il biomateriale ottimale per applicazioni in raccoglitori di energia, sensori di forza e trasduttori.

Le nanofibre PVDF sono i candidati principali per tali applicazioni, in particolare per i dispositivi indossabili e impiantabili. Le principali tecniche utilizzate per fabbricare tali fibre comprendono l'elettrofilatura, la filatura a fusione e la filatura centrifuga25,26. L’elettrofilatura è stata la più promettente in quanto può formare nanofibre da soluzioni o fusioni con diametri variabili. Inoltre, è stato riportato che il contenuto di fase β nelle nanofibre di PVDF prodotte mediante elettrofilatura è superiore a quello dei film fusi di PVDF, migliorando così le sue proprietà piezoelettriche27.