LV15570B - Flexoelectric materials from layered polymers - Google Patents

Flexoelectric materials from layered polymers Download PDF

Info

Publication number
LV15570B
LV15570B LVP-19-56A LV190056A LV15570B LV 15570 B LV15570 B LV 15570B LV 190056 A LV190056 A LV 190056A LV 15570 B LV15570 B LV 15570B
Authority
LV
Latvia
Prior art keywords
layers
pdms
flexoelectric
different
layer
Prior art date
Application number
LVP-19-56A
Other languages
Latvian (lv)
Other versions
LV15570A (en
Inventor
Andris ŠUTKA
Kaspars MĀLNIEKS
Linards LAPČINSKIS
Māris KNITE
Original Assignee
Rīgas Tehniskā Universitāte
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rīgas Tehniskā Universitāte filed Critical Rīgas Tehniskā Universitāte
Priority to LVP-19-56A priority Critical patent/LV15570B/en
Publication of LV15570A publication Critical patent/LV15570A/en
Publication of LV15570B publication Critical patent/LV15570B/en

Links

Landscapes

  • Organic Insulating Materials (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTSDESCRIPTION OF THE INVENTION

[001] Izgudrojums attiecas uz inteliģento materiālu un struktūru nozari, konkrēti uz materiāliem mehāniskās enerģijas savākšanai. Mehāniskās enerģijas avoti ir kustības un vibrācijas apkārtējā vidē, ieskaitot skaņu. Izmantojot noteiktus materiālus, mehānisko enerģiju iespējams pārvērst elektriskajā.[001] The invention relates to the field of intelligent materials and structures, specifically to materials for harvesting mechanical energy. Sources of mechanical energy are movements and vibrations in the environment, including sound. Using certain materials, it is possible to convert mechanical energy into electrical energy.

Zināmais tehnikas līmenisThe known state of the art

[002] Fleksoelektriķi ir materiāli, kuri mehānisko enerģiju pārvērš elektriskajā līdzīgi kā to dara pjezoelektriķi. Fleksoelektriķi atšķirībā no pjezoelektriķiem, kurus izgatavo no speciālas tehniskās keramikas, var tikt izgatavoti no mīkstiem polimērmateriāliem, tie ir lokani un deformējami, kas ļauj tos viegli integrēt apģērbā [1].[002] Flexoelectrics are materials that convert mechanical energy into electrical energy similar to piezoelectrics. Unlike piezoelectrics, which are made of special technical ceramics, flexoelectrics can be made of soft polymer materials, they are flexible and deformable, which allows them to be easily integrated into clothing [1].

[003] Fleksoelektriskās īpašības novērojamas daudzslāņainiem vai porainiem polimērmateriāliem, kuriem uz poru vai slāņu pretējām virsmām ir pretējas zīmes lādiņi, kā rezultātā veidojas elektriskie dipoli [1]. Uz fleksoelektrisku materiālu ārējām virsmām ir uznesti elektrovadoši slāņi - elektrodi, kas savā starpā savienoti ar ārēju elektrisko ķēdi. Uz vadošajiem elektrodiem no elektriskajiem dipoliem inducējas lādiņi (elektrostatiskā indukcija). Ārējas mehāniskās iedarbības rezultātā materiāls tiek deformēts, kā rezultātā izmainās elektriskais potenciāls starp vadošajiem elektrodiem. Atjaunojoties elektriskā potenciāla līdzsvaram, ārējā elektriskajā ķēdē novērojama strāvas plūsma (tiek ģenerēta elektriskā enerģija).[003] Flexoelectric properties are observed in multi-layered or porous polymer materials, which have charges of opposite signs on the opposite surfaces of the pores or layers, resulting in the formation of electric dipoles [1]. Electroconductive layers are placed on the outer surfaces of flexoelectric materials - electrodes connected to each other by an external electric circuit. Charges are induced on the conducting electrodes from the electric dipoles (electrostatic induction). As a result of external mechanical action, the material is deformed, which results in a change in the electrical potential between the conducting electrodes. When the electrical potential balance is restored, a current flow is observed in the external electrical circuit (electrical energy is generated).

[004] Lai iegūtu pretējas zīmes lādiņus uz fleksoelektriska materiāla poru vai slāņu pretējām virsmām, tie tiek pakļauti spēcīgam elektriskajam laukam. Tādā veidā starp slāņiem vai porās notiek mikroplazmas izlādes un veidojas pretējas zīmes lādiņi [1].[004] To obtain charges of opposite sign on opposite surfaces of pores or layers of flexoelectric material, they are subjected to a strong electric field. In this way, between the layers or in the pores, microplasma discharges occur and charges of the opposite sign are formed [1].

[005] Alternatīva metode pretējas zīmes lādiņu veidošanai fleksoelektriska materiāla porās ir atšķirīga materiālu daļiņu nogulsnēšana selektīvi uz vienas no poru virsmām [2]. Deformācijas rezultātā atšķirīgie materiāli uz poru sieniņām saskaras un atraujas, tādējādi veidojoties pretējas zīmes triboelektriskajiem lādiņiem un dipola momentiem.[005] An alternative method for creating charges of the opposite sign in the pores of a flexoelectric material is the deposition of different material particles selectively on one of the pore surfaces [2]. As a result of the deformation, the dissimilar materials on the pore walls come into contact and separate, resulting in the formation of triboelectric charges and dipole moments of opposite signs.

[006] Minētajiem materiāliem ir būtiski trūkumi: (i) mikroplazmas izlādes rezultātā izveidotie lādiņi nav noturīgi laikā, un (ii) selektīvi nogulsnētās daļiņas no vienas poru sieniņas ar laiku tiek pārnestas arī uz pretējās poras sieniņas, tādējādi neļaujot uz tās veidoties pretēju zīmju lādiņiem un elektriskajiem dipoliem. Minetie trukumi ir par iemeslu tam, ka fleksoelektriski materiāli nav komerciāli pieejami.[006] The mentioned materials have significant disadvantages: (i) the charges created as a result of the microplasma discharge are not stable over time, and (ii) the selectively deposited particles from one pore wall are also transferred to the opposite pore wall with time, thus preventing the formation of charges of opposite signs on it and electric dipoles. The mentioned disadvantages are the reason that flexoelectric materials are not commercially available.

Izgudrojuma mērķis un būtībaPurpose and essence of the invention

[007] Izgudrojuma mērķis ir iegūt noturīgus fleksoelektriskus materiālus, kuru veiktspēja ekspluatācijas laikā nesamazinās.[007] The aim of the invention is to obtain durable flexoelectric materials whose performance does not decrease during operation.

[008] Mērķis tika sasniegts, veidojot daudzslāņainus polimēru materiālus, kur katru slāni raksturo raksturlielumi, kas ir izvēlēti no šādas grupas: slāņa porainība, slāņa virsmas raupjums, kohēzijas enerģija, pildvielas daļiņas izmērs (ja tādas pievienotas), pildvielas daļiņas forma, pildvielas daļiņu koncentrācija, turklāt slāņi savā starpā ir ar atšķirīgiem minētajiem raksturlielumiem. Jo lielāka ir atšķirība starp slāņu raksturlielumiem, jo lielāks ir triboelektriskais lādiņš robežvirsmā deformējot, jo pie vienāda spēka ir atšķirīga katra slāņa absolūtā deformācija. Dažādu raksturlielumu atšķirība starp slāņiem var būt: porainība no 1 līdz 99 %; virsmas raupjums no 10 nm līdz =50 um Ra; kohēzijas enerģija no 50 līdz 800 kJ/mol; pildvielas saturs no 1 līdz 99 %; pildvielas izmēra atšķirības no 10 nm līdz 5 mm. Pildvielas daļiņas var būt, piemēram, plāksnīšu vai sfēru, vai stienīšu veidā.[008] The objective was achieved by forming multilayered polymeric materials, where each layer is characterized by characteristics selected from the following group: layer porosity, layer surface roughness, cohesive energy, filler particle size (if added), filler particle shape, filler particle size concentration, moreover, the layers have different mentioned characteristics. The greater the difference between the characteristics of the layers, the greater the triboelectric charge at the interface during deformation, since the absolute deformation of each layer is different at the same force. The difference in different characteristics between the layers can be: porosity from 1 to 99%; surface roughness from 10 nm to =50 um Ra; cohesion energy from 50 to 800 kJ/mol; filler content from 1 to 99%; filler size differences from 10 nm to 5 mm. The filler particles can be, for example, in the form of plates or spheres or rods.

[009] Ir zināms, ka, kontaktējot un atraujot (berzējot) polimērus ar atšķirīgu kohēzijas enerģiju, novērojama to kontakta elektrifikācija [3]. Veidojot slāņainus materiālus, kur katram polimēra slānim ir atšķirīga kohēzijas enerģija, sagaidāma to savstarpēja berzēšanās un triboelektrifikācija. Šāds triboelektrifikācijas mehānisms ir novērots visiem polimēriem [4] taču jāņem vērā, ka fleksoelektriķa veiktspēja būs atkarīga no polimēru elektrificēšanās tieksmes, kas katram polimēram ir atšķirīga.[009] It is known that upon contact and detachment (rubbing) of polymers with different cohesive energy, their contact electrification is observed [3]. When forming layered materials, where each polymer layer has a different cohesive energy, their mutual friction and triboelectrification are expected. Such a triboelectrification mechanism has been observed for all polymers [4], but it should be taken into account that the performance of the flexoelectric will depend on the electrification tendency of the polymers, which is different for each polymer.

[010] Daudzslāņaina fleksoelektriska materiāla veidošanai izmanto vismaz divus polimēru slāņus (maksimālais slāņu skaits ir atkarīgs no parauga maksimālā biezuma), ar vismaz vienu atšķirīgu raksturlielumu (slāņa porainība, slāņa virsmas raupjums, kohēzijas enerģija, pildvielas daļiņas izmērs (ja tādas pievienotas), pildvielas daļiņas forma, pildvielas daļiņu koncentrācija), kur katrs slānis, kontaktējoties viens pret otru, iegūst pretējas zīmes triboelektrisku lādiņu. 1. zīm. ir parādīts šis efekts daudzslāņainam fleksoelektriskam materiālam ar trim slāņiem (A, B un C). Tādējādi daudzslāņainā materiāla tilpumā veidojas dipola momenti un materiālam tiek piešķirtas fleksoelektriskas īpašības.[010] At least two polymer layers are used to form a multilayer flexoelectric material (the maximum number of layers depends on the maximum thickness of the sample), with at least one different characteristic (layer porosity, layer surface roughness, cohesive energy, filler particle size (if added), fillers particle shape, filler particle concentration), where each layer acquires a triboelectric charge of opposite sign when contacting each other. Fig. 1 this effect is shown for a multilayer flexoelectric material with three layers (A, B, and C). Thus, dipole moments are formed in the volume of the multilayer material and flexoelectric properties are given to the material.

[011] Izgudrojumam ir vairākas priekšrocības: (i) lai materiālā iegūtu dipola momentus, to nav nepieciešams pakļaut elektriskajam laukam; (ii) nav nepieciešams izmantot sarežģītus materiālus un metodes; (iii) materiāla fleksoelektriskās īpašības ir noturīgas laikā.[011] The invention has several advantages: (i) in order to obtain dipole moments in the material, it is not necessary to subject it to an electric field; (ii) there is no need to use complex materials and methods; (iii) the flexoelectric properties of the material are stable over time.

[012] Izgudrojums ir paskaidrots ar šādiem zīmējumiem:[012] The invention is explained with the following drawings:

1. zīm. Fleksoelektrisks materiāls no trīs A, B un C slāņiem, kur katrs slānis berzējoties viens pret otru iegūst pretējas zīmes triboelektrisku lādiņu e-.Fig. 1 Flexoelectric material from three layers A, B and C, where each layer rubs against each other and acquires a triboelectric charge e - of the opposite sign.

2. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no polivinilidēnflorīda (PVDF) membrānām ar atšķirīgu poru izmēru secīgi 0,10 μm, 0,45 μm un 0,22 μm.Fig. 2 Current measurement at 100 N compression force for a flexoelectric multilayer material made of polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes with different pore sizes of 0.10 μm, 0.45 μm, and 0.22 μm, respectively.

3. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no polimēru polivinilidēnfluorīda (PVDF), etilēna un vinilacetāta kopolimēra (EVA) un zema blīvuma polietilēna (LDPE) kārtiņām, kuras atšķiras savā starpā ar kohēzijas enerģiju.Fig. 3 Current measurement at 100 N compressive force for a flexoelectric multilayer material made of layers of the polymers polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) and low-density polyethylene (LDPE) with different cohesive energy.

4. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no etilcelulozes (EC) kārtiņām ar dažādu virsmas raupjumu.Fig. 4 Current measurement at 100 N compressive force for a flexoelectric multilayer material made of ethyl cellulose (EC) films with different surface roughness.

5. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no polidimetilsiloksāna (PDMS) kārtiņām ar dažādu BaTiOs pildvielu saturu (10, 25 un 50 masas %).Fig. 5 Current measurement at 100 N compressive force for a flexoelectric multilayer material made of polydimethylsiloxane (PDMS) films with different BaTiOs filler content (10, 25 and 50 wt %).

6. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no etilēna un vinilacetāta kopolimēra (EVA) kārtiņām ar atšķirīgiem TiO2 pildvielas izmēriem (100 nm, 50 nm un 10 nm).Fig. 6 Current measurement at 100 N compressive force for a flexoelectric multilayer material made of ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) films with different sizes of TiO2 filler (100 nm, 50 nm and 10 nm).

7. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no etilēna un vinilacetāta kopolimēra (EVA) kārtiņām ar atšķirīgām hematīta pildvielas formām (nanostienīši, nanosfēras un nanoplāksnītes).Fig. 7 Current measurement at 100 N compressive force of a flexoelectric multilayer material made of ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) films with different forms of hematite filler (nanorods, nanospheres and nanoplates).

8. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam daudzslāņainam materiālam, kas izgatavots no polistirola polimēra 3 slāņiem, kur katram slānim viena puse ir poraina, bet otra - gluda.Fig. 8 Current measurement at 100 N compressive force for a flexoelectric multilayer material made of 3 layers of polystyrene polymer, where each layer is porous on one side and smooth on the other.

9. zīm. Strāvas mērījums pie 100 N liela saspiešanas spēka fleksoelektriskam materiālam, kas sastāv no diviem PDMS bislāņiem ar atšķirīgu kohēzijas enerģiju.Fig. 9 Current measurement at 100 N compression force for a flexoelectric material consisting of two PDMS bilayers with different cohesive energies.

Izgudrojuma realizācijas piemeriExamples of implementation of the invention

[013] 1. piemers:[013] Example 1:

Polivinilidenflorīda (PVDF) polimēra membrānas ar atšķirīgiem poru izmēriem 0,10 μm, 0,22 μm un 0,45 μm saliek vienu virs otras tā, lai membrāna ar poru izmēru 0,45 μm atrastos vidū. Tad membrānas saspiež ar 500 N lielu spēku un notur 5 minūtes. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan vaļējo poru mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 μm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no šāda kompozīta 100 N liela mehāniskā spēka ietekmē, parādīta 2. zīm.Polyvinylidene fluoride (PVDF) polymer membranes with different pore sizes of 0.10 μm, 0.22 μm and 0.45 μm are stacked on top of each other so that the membrane with a pore size of 0.45 μm is in the middle. Then the membranes are compressed with a force of 500 N and held for 5 minutes. This step ensures that the layers are interconnected by both open pore mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 μm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from such a composite under the influence of a mechanical force of 100 N is shown in Fig. 2.

[014] 2. piemērs:[014] Example 2:

Polimēru membrānas ar atšķirīgu kohēzijas enerģiju. Polivinilidēnflorīda (PVDF) polimēra kārtiņa tiek iegūta no PVDF (15 %) šķīduma dimetilformamīdā (DMF). PVDF šķīdumu ar rotējošas metodes iekārtas palīdzību uznes uz polietilēntereftalāta, kurš pārklāts ar elektrovadošu indija dopētu alvas oksīdu, (ITO/PET) pamatnes. Pēc uznešanas PVDF kārtiņa tiek iemērkta antisolventā (metanols) uz 10 sekundēm pēc tam to žāvē ar saspiesta gaisa palīdzību. PVDF kārtiņa pēc tam tiek noņemta no ITO/PET un iegūst plānu kārtiņu ar kohēzijas enerģiju 99,52 kJ/mol. Etilēna un vinilacetāta kopolimēra (EVA) kārtiņu iegūst no EVA maisījuma toluolā līdzīgi kā PVDF kārtiņas gadījumā un iegūst kārtiņu ar kohēzijas enerģiju 27,47 kJ/mol. Savukārt zema blīvuma polietilēna (LDPE) kārtiņu iegūst, LDPE izšķīdinot ksilolā un pēc tam aizvietojot metanolā iegūstot kārtiņu ar kohēzijas enerģiju 55,93 kJ/mol. Kārtiņas saliek vienu virs otras, lai pa vidu atrastos kārtiņa ar zemāko kohēzijas enerģiju - EVA, tad kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan virsmas raupjuma izraisītas mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 μm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no kārtiņām ar atšķirīgu kohēzijas enerģiju, parādīta 3. zīm.Polymer membranes with different cohesive energies. Polyvinylidene fluoride (PVDF) polymer film is obtained from a solution of PVDF (15%) in dimethylformamide (DMF). The PVDF solution is applied to a polyethylene terephthalate (ITO/PET) substrate coated with electroconductive indium-doped tin oxide (ITO/PET) using a rotating equipment. After application, the PVDF film is dipped in an antisolvent (methanol) for 10 seconds, then dried with compressed air. The PVDF film is then removed from the ITO/PET to obtain a thin film with a cohesive energy of 99.52 kJ/mol. An ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) film is obtained from a mixture of EVA in toluene in a similar manner to the PVDF film, and a film with a cohesive energy of 27.47 kJ/mol is obtained. On the other hand, low-density polyethylene (LDPE) film is obtained by dissolving LDPE in xylene and then substituting in methanol to obtain a film with a cohesive energy of 55.93 kJ/mol. The layers are stacked one above the other so that the layer with the lowest cohesive energy - EVA - is in the middle, then the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures mutual bonding of the layers both by mechanical adhesion caused by surface roughness and by molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 μm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from layers with different cohesive energy is shown in Fig. 3.

[015] 3. piemērs:[015] Example 3:

Polimēru membrānas ar gludu un porainu virsmu. Etilcelulozes (EC) polimēra kārtiņas, tiek iegūtas no EC (15 %) šķīduma dimetilformamīdā (DMF). EC šķīdumu ar rotējošas metodes iekārtas palīdzību uznes uz ITO/PET pamatnes. Lai iegūtu porainu membrānu pēc uznešanas EC kārtiņa tiek iemērkta antisolventā (metanols) uz 10 sekundēm, savukārt, lai iegūtu gludu kārtiņu, to pēc uznešanas atstāj gaisā nožūt. EC kārtiņas pēc tam tiek noņemtas no ITO/PET un tās saliek vienu virs otras tā, lai pa vidu būtu porainā kārtiņa. Tālāk kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 μm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no šādām kārtiņām ar 100 N liela mehāniskā spēka ietekmi, parādīta 4. zīm.Polymer membranes with a smooth and porous surface. Ethyl cellulose (EC) polymer films are obtained from a solution of EC (15%) in dimethylformamide (DMF). The EC solution is applied to the ITO/PET substrate with the help of a rotary method equipment. To obtain a porous membrane after application, the EC film is dipped in an antisolvent (methanol) for 10 seconds, while to obtain a smooth film, it is left to air dry after application. The EC layers are then removed from the ITO/PET and stacked on top of each other with a porous layer in the middle. Next, the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures that the layers are interconnected by both mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 μm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from such layers under the influence of a mechanical force of 100 N is shown in Fig. 4.

[016] 4. piemērs:[016] Example 4:

Polimēru membrānas ar dažādu pildvielu koncentrāciju. Polidimetilsiloksāna (PDMS) kārtiņas ar pildvielu (BaTiO3) ar daļiņu izmēru>100 nm, tiek iegūtas PDMS pievienojot dažāda daudzuma BaTiO3 pildvielu (10, 25 un 50 masas %). PDMS BaTiO3 maisījumu ar rotējošas metodes iekārtas palīdzību uznes uz ITO/PET pamatnes. Pēc uznešanas PDMS kārtiņas tiek šķērssašūtas 30 minūtes 100 °C. PDMS kārtiņas pēc tam tiek noņemtas no ITO/PET un tās saliek vienu virs otras tā, lai kārtiņa ar 10 masas % BaTiO3 atrastos pa vidu starp kārtiņām ar 25 un 50 masas %. Tad kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 μm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no PDMS kārtiņām ar dažādu pildvielu daudzumu, parādīta 5. zīm.Polymer membranes with different concentrations of fillers. Filler-filled polydimethylsiloxane (PDMS) films (BaTiO3) with particle size >100 nm are obtained by adding different amounts of BaTiO3 filler (10, 25 and 50 wt%) to PDMS. The PDMS BaTiO3 mixture is deposited on the ITO/PET substrate with the help of a rotary method equipment. After deposition, the PDMS films are cross-linked for 30 minutes at 100 °C. The PDMS layers are then removed from the ITO/PET and stacked so that the layer with 10 wt% BaTiO3 is in the middle between the layers with 25 and 50 wt%. Then the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures that the layers are interconnected by both mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 μm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from PDMS films with different amounts of fillers is shown in Fig. 5.

[017] 5. piemērs:[017] Example 5:

Polimēru membrānas ar dažādu pildvielu daļiņu izmēriem. Etilēna un vinilacetāta kopolimēra (EVA) polimēru kārtiņas ar dažādu pildvielu izmēriem iegūst izšķīdinot EVA šķīdinātājā - toluolā un pievienojot TiO2 daļiņas. Daļiņu izmēri membrānās 100 nm, 50 nm un 10 nm. Daļiņas polimēru maisījumā iejauc tilpuma koncentrācijā 10 %. EVA (TiO2) šķīdumu izlej Petri trauciņā, lai iztvaiko šķīdinātājs. Pēc iztvaikošanas iegūst EVA (TiO2) polimēru kas tiek presēts ar karsto presi 70 °C ar 30 kN spēku 5 min. Iegūst EVA (TiO2) kārtiņas kas ir 100 μm biezas. Kārtiņas saliek vienu virs otras tā, lai kārtiņa ar 10 nm daļiņām atrastos pa vidu, tad kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 μm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no kārtiņām ar atšķirīgu pildvielu izmēriem, parādīta 6. zīm.Polymer membranes with different particle sizes of fillers. Ethylene and vinyl acetate copolymer (EVA) polymer layers with different sizes of fillers are obtained by dissolving EVA in a solvent - toluene and adding TiO2 particles. Particle sizes in membranes 100 nm, 50 nm and 10 nm. The particles are mixed into the polymer mixture at a volume concentration of 10%. The EVA (TiO2) solution is poured into a Petri dish to evaporate the solvent. After evaporation, EVA (TiO2) polymer is obtained, which is pressed with a hot press at 70 °C with a force of 30 kN for 5 min. EVA (TiO2) films 100 μm thick are obtained. The layers are stacked one on top of the other so that the layer with 10 nm particles is in the middle, then the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures that the layers are interconnected by both mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 μm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from films with different filler sizes is shown in Fig. 6.

[018] 6. piemērs:[018] Example 6:

Polimēru membrānas ar dažādu pildvielu formu atšķirībām. Etilēna un vinilacetāta kopolimēra (EVA) polimēru kārtiņas ar dažādām pildvielu formām iegūst, izšķīdinot EVA šķīdinātājā toluolā, un pievienojot hematīta nanostienīšus, hematīta nanosfēras un hematīta nanoplāksnītes. Daļiņas polimēru maisījumā iejauc ar tilpuma koncentrācija 10 %. Polimēru šķīdumu izlej Petri trauciņā, lai iztvaiko šķīdinātājs. Pēc iztvaikošanas iegūst EVA polimēru ar hematīta daļiņām, kas tiek presēts ar karsto presi 70 °C ar 30 kN spēku 5 min. Iegūst ar hematīta daļiņām pildītas EVA kārtiņas, kas ir 100 μm biezas. Kārtiņas saliek vienu virs otras tā, lai kārtiņa ar sfēriskas formas hematītu atrodas pa vidu, tad kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 ņm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no kārtiņām ar atšķirīgu pildvielu formu, parādīta 7. zīm.Polymer membranes with different forms of fillers. Ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) polymer films with different filler forms are obtained by dissolving EVA in toluene solvent and adding hematite nanorods, hematite nanospheres, and hematite nanoplates. The particles are mixed into the polymer mixture with a volume concentration of 10%. The polymer solution is poured into a Petri dish to evaporate the solvent. After evaporation, an EVA polymer with hematite particles is obtained, which is pressed with a hot press at 70 °C with a force of 30 kN for 5 min. EVA films filled with hematite particles 100 μm thick are obtained. The layers are stacked one above the other so that the layer with spherical hematite is in the middle, then the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures that the layers are interconnected by both mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 nm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from films with different shapes of fillers is shown in Fig. 7.

[019] 7. piemērs:[019] Example 7:

Polimēru membrānas, kur katrai membrānai viena puse ir poraina, bet otra - gluda. Polistirola (PS) membrānas ar vienu virsmu gludu, bet otru porainu iegūst, 15 % PS šķīdumu dimetilformamīdā (DMF) ar rotācijas uzklāšanas metodi uznesot uz porainas želantīna pamatnes. Uznesto kārtiņu iemērc antisolventā - metanolā uz 30 sekundēm, lai iegūtu PS pārklājumu. Tad želantīna pamatni izšķīdina ūdenī. Pēc želatīna izšķīdināšanas iegūst brīvu PS kārtiņu ar vienu gludu, bet otru porainu virsmu. Iegūtās PS kārtiņas saliek vienu virs otras tā, lai gludā un porainā virsma būtu kontaktā. Tad kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 ņm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. PDMS aizsargslānis nodrošina to, ka individuālie slāņi fleksoelektriskajā materiālā neatslāņojas. Vadošie elektrodi tiek uzkrāsoti uz PDMS virsmas, izmantojot sudraba laku. Strāva, kas ģenerēta no minētā materiāla, parādīta 8. zīm.Polymeric membranes, where each membrane is porous on one side and smooth on the other. Polystyrene (PS) membranes with one surface smooth and the other porous are obtained by spin-coating a 15% PS solution in dimethylformamide (DMF) onto a porous gelatin substrate. The applied layer is dipped in an antisolvent - methanol for 30 seconds to obtain a PS coating. Then the gelatin base is dissolved in water. After dissolving the gelatin, a free PS layer is obtained with one smooth and the other porous surface. The resulting PS layers are stacked one above the other so that the smooth and porous surface are in contact. Then the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures that the layers are interconnected by both mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 nm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The PDMS protective layer ensures that the individual layers in the flexoelectric material do not delaminate. Conductive electrodes are painted on the PDMS surface using silver varnish. The current generated from the mentioned material is shown in Fig. 8.

[020] 8. piemērs:[020] Example 8:

Fleksoelektriķis, kas sastāv no diviem polimēru slāņiem, tiek pagatavots no polidimetilsiloksāna (PDMS). Slāņus pagatavo izmantojot izliešanas metodi, ar kuras palīdzību iegūst bislāni, kas sastāv no dažādi sķērssaistītiem PDMS slāņiem. Bislānis tiek pagatavots divās kārtās. Pirmā kārta tiek pagatavota no PDMS ar šķērssašūšanas attiecību (prepolimērs pret šķērssašūšanas aģentu) 15:1, polimēru slāni izlej polistirola traukā un šķērssaista 30 minūtes 100 °C. Iegūst 100 μm biezu PDMS slāni. Pēc PDMS slāņa atdzišanas uznes otru PDMS slāni ar škērssašūšanas attiecību 5:1 un šķērssašuj 30 minūtes 100 °C. Iegūst bislāni ar kopējo biezumu 200 μm. Pēc bislāna iegūšanas tas tiek sagriezts izmēros 2,5x2,5 cm un divi bislāņi tiek likti starp ITO/PET elektrodiem. Kārtiņas saliek vienu virs otras tā, lai veidojas kontakts starp PDMS, kas ir škērssaistīti ar dāžadu attiecību, respektīvi, 15:1 kontaktētos ar 5:1, tādejādi panāk, ka savā starpā kontaktējas polimēri ar atšķirīgu kohēzijas enerģiju. Tad kārtiņas saspiež ar 100 N lielu spēku un notur 1 minūti. Šis solis nodrošina slāņu savstarpēju sasaistīšanos gan mehāniskas saķeres, gan molekulāro spēku iedarbībā. Nākamajā etapā slāņi tiek ievalcēti starp 100 μm biezām savā starpā saistītām polidimetilsiloksāna (PDMS) plēvēm. Strāva, kas ģenerēta no kārtiņām ar atšķirīgu kohēzijas enerģiju, parādīta 9. zīm.The flexoelectric, consisting of two polymer layers, is made from polydimethylsiloxane (PDMS). The layers are prepared using the casting method, which produces bilayers consisting of variously cross-linked PDMS layers. Bislanis is prepared in two stages. The first layer is prepared from PDMS with a cross-linking ratio (prepolymer to cross-linking agent) of 15:1, the polymer layer is poured into a polystyrene container and cross-linked for 30 min at 100 °C. A 100 μm thick PDMS layer is obtained. After the PDMS layer has cooled, a second PDMS layer is applied with a cross-stitching ratio of 5:1 and cross-stitched for 30 minutes at 100 °C. A bilayer with a total thickness of 200 μm is obtained. After obtaining the bislayer, it is cut into 2.5x2.5 cm sizes and two bislayers are placed between the ITO/PET electrodes. The layers are stacked one on top of the other in such a way that a contact is formed between the PDMS cross-linked with a ratio of 15:1 to 5:1, thus achieving that the polymers with different cohesive energy are in contact with each other. Then the layers are compressed with a force of 100 N and held for 1 minute. This step ensures that the layers are interconnected by both mechanical adhesion and molecular forces. In the next step, the layers are rolled between 100 μm thick interconnected polydimethylsiloxane (PDMS) films. The current generated from layers with different cohesive energy is shown in Fig. 9.

Izmantotie informācijas avotiUsed information sources

[1] Q. Deng, L. Liu, P. Sharma, Electrets in soft materials: Nonlinearity, size effects, and giant electromechanical coupling, Phys. Rev. E, 2014, 90, 012603.[1] Q. Deng, L. Liu, P. Sharma, Electrets in soft materials: Nonlinearity, size effects, and giant electromechanical coupling, Phys. Rev. E, 2014, 90, 012603.

[2] J. Chun, J.W. Kim, W.-S. Jung, C.-Y. Kang, S.-W. Kim, Z.L. Wang, J.M. Baik, Mesoporous pores impregnated with Au nanoparticles as effective dielectrics for enhancing triboelectric nanogenerator performance in harsh environments, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3006-3012.[2] J. Chun, J.W. Kim, W.-S. Jung, C.-Y. Kang, S.-W. Kim, Z.L. Wang, J.M. Baik, Mesoporous pores impregnated with Au nanoparticles as effective dielectrics for enhancing triboelectric nanogenerator performance in harsh environments, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3006-3012.

[3] A. Šutka, K. Mālnieks, L. Lapčinskis, P. Kaufelde, A. Linarts, A. Bērziņa, R. Zābels, V. Jurķāns, I. Gorņevs, J. Blūms, M. Knite, The role of intermolecular forces in contact electrification on polymer surfaces and triboelectric nanogenerators, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 2417-2421.[3] A. Šutka, K. Mālnieks, L. Lapčinskis, P. Kaufelde, A. Linarts, A. Bērziņa, R. Zābels, V. Jurķāns, I. Gorņevs, J. Blums, M. Knite, The role of intermolecular forces in contact electrification on polymer surfaces and triboelectric nanogenerators, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 2417-2421.

[4] A.Šutka, K.Mālnieks, L.Lapčinskis, M.Timusk, K.Kalniņš, A.Kovaļovs, J.Grunlan, Contact electrification between identical polymers as the basis for triboelectric/flexoelectric materials. Phys. Chem. Chem. Phys, 2020, 22(23), 13299-13305.[4] A. Šutka, K. Mālnieks, L. Lapčinskis, M. Timusk, K. Kalniņš, A. Kovaļovs, J. Grunlan, Contact electrification between identical polymers as the basis for triboelectric/flexoelectric materials. Phys. Chem. Chem. Phys, 2020, 22(23), 13299-13305.

Claims (2)

1. Fleksoelektriskais materiāls, kas satur vismaz divus polimēra slāņus, kas raksturīgs ar to, ka katru slāni raksturo raksturlielumi, kas ir izvēlēti no šādas grupas: porainība, virsmas raupjums, kohēzijas enerģija, pildvielas saturs, pildvielas izmērs, pildvielas daļiņu forma, turklāt slāņi savā starpā ir ar atšķirīgiem minētajiem raksturlielumiem.1. A flexoelectric material comprising at least two polymer layers, characterized in that each layer is characterized by characteristics selected from the group consisting of: porosity, surface roughness, cohesive energy, filler content, filler size, filler particle shape, and layers are different from each other in the mentioned characteristics. 2. Materiāls, saskaņā ar 1. pretenziju, kas raksturīgs ar to, ka pildvielu daļiņu forma ir plāksnītes vai sfēras, vai stienīši.2. Material according to claim 1, characterized in that the shape of the filler particles is plates or spheres or rods.
LVP-19-56A 2019-10-30 2019-10-30 Flexoelectric materials from layered polymers LV15570B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LVP-19-56A LV15570B (en) 2019-10-30 2019-10-30 Flexoelectric materials from layered polymers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LVP-19-56A LV15570B (en) 2019-10-30 2019-10-30 Flexoelectric materials from layered polymers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LV15570A LV15570A (en) 2021-05-20
LV15570B true LV15570B (en) 2022-10-20

Family

ID=75905336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LVP-19-56A LV15570B (en) 2019-10-30 2019-10-30 Flexoelectric materials from layered polymers

Country Status (1)

Country Link
LV (1) LV15570B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
LV15570A (en) 2021-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7267630B2 (en) Nanoporous Composite Separator with Enhanced Thermal Conductivity
An et al. A wearable second skin‐like multifunctional supercapacitor with vertical gold nanowires and electrochromic polyaniline
Tang et al. A new class of flexible nanogenerators consisting of porous aerogel films driven by mechanoradicals
JP6824558B2 (en) Separation membrane for batteries to which a functional binder is applied and electrochemical elements to which this is applied
JP7529718B2 (en) Conductive, transparent, translucent, and/or reflective materials
US9343653B2 (en) Piezoelectric element including fluororesin film
KR102213229B1 (en) Triboelectric power generating device and method for preparing the same
EP2639855A3 (en) Electrode separator
CN102460618B (en) Ionic polymer metal composite capacitor
TW201108481A (en) Electrically switchable polymer film arrangement and its use
JP2011522725A5 (en)
Šutka et al. Contact electrification between identical polymers as the basis for triboelectric/flexoelectric materials
JP2018507939A (en) Process for making conductive polymer free-standing film
TWI242256B (en) Electrode sheet for electrostatic chucking device, electrostatic chucking device and method of adsorption
RU2010153062A (en) SUBSTRATE COATING CONTAINING THE COMPLEX OF IONIC FLUOROPOLYMER AND SURFACE CHARGED NANOPARTICLES
WO2013146126A1 (en) Lithium ion secondary battery separator with process film and manufacturing method for same
JP2020205428A (en) Multilayer film capacitor
Elyashevich et al. Composite membranes with conducting polymer microtubules as new electroactive and transport systems
JP6081959B2 (en) Resin film, laminate, method for producing the same, and method for producing fuel cell
LV15570B (en) Flexoelectric materials from layered polymers
KR20020028863A (en) Functional film
CN106042466B (en) A kind of super-hydrophobic unipolarity electret film and preparation method thereof
KR20180076734A (en) Piezo triboelectric hybrid nanogenerator for high power output and preparation method of the same
KR20210077157A (en) Triboelectric power generating device with separation membrane and method for preparing the same
JP3216730B2 (en) Antistatic laminated film