Verbonden objecten veranderen in piëzo-elektrische generatie

Piëzo-elektrische polymeren zijn essentieel bij de ontwikkeling van toekomstige generaties van verbonden objecten. Door hun vermogen om elektriciteit op te wekken onder mechanische spanning, kunnen ze het energieverbruik van slimme sensoren aanzienlijk verminderen en ze autonoom maken. Maar om dit te bereiken, moeten onderzoekers deze polymeren combineren met conventionele vormgevingsprocessen in de kunststofindustrie. Alle tracks zijn open, van 3D-printen tot biosourced materialen.

24 feb. 2017

#

Door te vervormen, hebben sommige materialen het vermogen om elektrische ladingen op hun oppervlak te genereren. Deze eigenschap, piëzo-elektriciteit genaamd, is met name interessant op het gebied van verbonden objecten. De 'wearables', deze intelligente apparaten die zichzelf gedragen als de trackers van activiteiten, ondergaan regelmatig wendingen, verbuigingen en compressies. Door piëzo-elektrische materialen te ontwerpen om ze te ontwerpen, zou het gebruik van batterijen zeldzamer worden, waardoor de oplaadfrequentie afneemt en dus hun autonomie toeneemt. Beperkt tot keramiek sinds zijn ontdekking in het begin van de negentiende eeuw, piëzo-elektriciteit wint polymeermaterialen sector als gevolg van een toenemende vraag naar aangesloten flexibele voorwerpen of transparant.

Terwijl deze nieuwe kunststoffen "zal niet keramiek concurreren op hun toepassingsgebieden," waarschuwde Cedric Samuel materialen onderzoeker bij IMT Lille Douai (voorheen Mines Douai en Telecom Lille). De coëfficiënten die de stroom door de piëzo-elektrische effect kwantificeren meer dan vijftien keer lager dan in het geval van polymeren met die van keramiek: "30 picocoulomb Newton naar de meest effectieve polymeren tegen 500 voor keramische" verklaart de wetenschapper. Maar verbonden objecten hebben geen significante coëfficiënten nodig omdat ze weinig energie verbruiken. Aan de andere kant vereisen ze goedkope fabricagematerialen; een missie die zou worden vervuld door piëzo-elektrische polymeren als onderzoekers deze zouden kunnen combineren met de klassieke processen van de kunststofindustrie.

De uitdaging voor onderzoekers ligt in het formatteren van deze materialen. En het is belangrijk: de PVDF, het krachtigste piëzo-elektrische polymeer van het moment, is helemaal niet gemakkelijk te implementeren. "Slechts één type PVDF-kristal - de bèta-vorm - heeft piëzo-elektrische eigenschappen", legt Cedric Samuel uit. Om dit te verkrijgen, moet de PVDF meer dan 200% worden vervormd door uit te rekken, tussen 90 en 100 ° C. "Het vergt veel verwerking en nabewerking, wat het proces complexer maakt en de productiekosten verhoogt", zegt de onderzoeker. Om een oplossing te vinden voor piëzo-elektrische PVDF-vormgeving op grote en economische schaal, moeten we alternatieve manieren vinden.

Onderzoekers verkennen verschillende andere mogelijkheden. Door samen te werken met de Universiteit van Bergen (België) via een copromotorisch proefschrift, richt IMT Lille Douai zich op polymeermengsels. Ze koppelen de PVDF aan een ander plastic: PMMA. Het voordeel is tweeledig: niet alleen PMMA is goedkoper dan PVDF, maar het mengsel maakt het mogelijk om de piëzo-elektrische vorm van PVDF direct door extrusie te verkrijgen. Wetenschappers bevrijden zichzelf dus van verschillende stadia van behandeling. "Het nadeel is dat het verlaagt de piëzo-elektrische coëfficiënt", zegt Cedric Samuel, voordat herinnerend aan: "Maar nogmaals, toepassingen van piëzo-elektrische polymeren niet noodzakelijkerwijs enorme coëfficiënten. "

Piëzo-elektrische polymeren door 3D-printen

Als polymeermengsels een manier zijn om piëzo-elektrische PVDF-vormgeving te bestuderen, is dit niet de enige die in overweging wordt genomen. Via het Piezofab project tussen de twee Carnot Institutes of LMI (MINES Carnot en Carnot Telecom & Digital Society) door het combineren van IMT Atlantic (voorheen Nantes Mines en Télécom Bretagne) en IMT Lille Douai, onderzoekers streven het bereiken van sensoren en generatoren piëzo-elektrische polymeren door 3D-printen. "We serieus geloven kunnen we er zijn, want we hebben voldoende perspectief op additive manufacturing op polymeren gebaseerde, dankzij de expertise van Jeremia Soulestin over het onderwerp" Cedric Samuel vooruit met vertrouwen tegemoet.

IMT Lille-Douai onderzoekers zullen zich richten op het testen van de haalbaarheid van het proces. Hiervoor zullen ze werken aan een gewijzigde vorm van PVDF, geleverd door hun partner PiezoTech, een bedrijf van de chemische groep Arkema. Dit specifieke PVDF kristalliseert rechtstreeks in de piëzo-elektrische vorm wanneer het wordt gevormd door 3D-printen. Als de kosten van het gemodificeerde polymeer hoger zijn dan de conventionele vorm, kan het additiefproductieproces de gebruikte hoeveelheden drastisch verminderen.

Dit inter-Carnot project zal onderzoek mogelijk maken om de toepasbaarheid van piëzo-elektrische polymeren op verbonden objecten te onderzoeken. De rol van IMT Atlantique zal zijn om piëzo-elektrische polymeren te integreren in radiozenders en om hun eigenschappen tijdens gebruik te karakteriseren. "Een van hun sterke punten is de integratie van systemen voor specifieke toepassingen, zoals het meten van persoonlijke activiteiten", zegt de onderzoeker, verwijzend naar

Piëzo-elektrische materialen kunnen ook biobased zijn!

In de twee vorige nummers die Cédric Samuel en zijn collega's hebben onderzocht, is het gemeenschappelijke punt de PVDF. Alleen, "PVDF is een zeer technisch polymeer, dat in vergelijking met handige polymeren duur blijft", maakt het problematisch. "Idealiter zou het mogelijk zijn om conventionele polymeren van kunststoffen te gebruiken, indien mogelijk op biobased," vervolgt hij. Om dit doel te bereiken, voert IMT Lille Douai een grensoverschrijdend Europees project, Bioharv genaamd, dat academische partners tussen Frankrijk en België verenigt [i1]. Samen met de school werken ze samen met de universiteiten van Bergen, Lille en Valenciennes, evenals Centexbel, een wetenschappelijk centrum dat gespecialiseerd is in de textielindustrie.

Twee biosynthese (of bioplastic) polymeren [i2] trekken de aandacht van onderzoekers: polyamide 11 en polymelkzuur (PLA). Voor de eerste zijn de piëzo-elektrische eigenschappen bewezen, maar veel lager dan die van PVDF. Voor de tweede moet het aantonen dat het daadwerkelijk elektrische ladingen kan genereren. "Sommige wetenschappelijke artikelen suggereren dat polymelkzuur veelbelovend is, maar er is nog steeds geen duidelijke demonstratie van de piëzo-elektriciteit", relativeert Cedric Samuel. Hiervoor moeten wetenschappers slagen in het verkrijgen van PLA in zijn semi-kristallijne vorm. "Dit is inderdaad een sluis, want op het moment kristalliseert het PLA moeilijk", legt de onderzoeker uit.

Het Bioharv-project is onderverdeeld in verschillende fasen, waarbij steeds meer generaties van steeds efficiëntere piëzo-elektrische polymeren worden ontwikkeld. Het weerspiegelt een dubbele regionale onderzoeksdynamiek, waarbij de nadruk ligt op zowel nieuw textiel als het gebruik van natuurlijke hulpbronnen om de materialen van morgen te ontwerpen. De inzet is hoog, omdat de petrochemische industrie niet in staat zal zijn om een steeds grotere vraag naar polymeren te doorstaan. Omdat PLA wordt gemaakt van agrarische bronnen, kunnen onze verbonden objecten van morgen niet meer uit olie worden geproduceerd, maar uit maïs of aardappelen.