TR2023009797A2

TR2023009797A2 - A NANOFIBER SUITABLE FOR USE IN WEARABLE TECHNOLOGIES AND A METHOD FOR ITS PRODUCTION

Info

Publication number: TR2023009797A2
Application number: TR2023/009797
Authority: TR
Inventors: Zem Durak Yuzuak G; Yuzuak Ercument
Original assignee: Recep Tayyi̇p Erdoğan Üni̇versi̇tesi̇ Rektörlüğü
Filing date: 2023-08-14
Publication date: 2025-02-21

Abstract

Buluş, bununla sınırlandırılmamakla birlikte giyilebilir teknolojilerde kullanıma uygun yüksek yüzey alanı, düşük termal iletkenlik, nefes alabilir, su itici özelliklerinde ve mekanik esneklik sağlayan bir nanofiber ve bunun üretimi için bir yöntem ile ilgilidir.The invention relates to a nanofiber that provides high surface area, low thermal conductivity, breathability, water repellency and mechanical flexibility, and a method for its production, suitable for use in wearable technologies, but is not limited to this.

Description

TARIFNAME GIYILEBILIR TEKNOLOJILERDE KULLANIMA UYGUN BIR NANOFIBER VE BUNUN ÜRETIMI içiN BIR YÖNTEM TEKNIK ALAN Bulus, bununla sinirlandirilmamakla birlikte giyilebilir teknoloji alaninda kullanima uygun yüksek yüzey alani, düsük termal iletkenlik, nefes alabilir, su itici özelliklerinde ve mekanik esneklik saglayan bir nanofiber ve bunun üretimi için bir yöntem ile ilgilidir. ÖNCEKI TEKNIK Nano lifler, genel olarak bir mikrondan daha düsük çapa sahip olan lifler olarak tanimlanmaktadir. Nano liflerden olusan yüksek yüzey alanina sahip ve gözenekli yüzeyler, farkli özellikleri sebebiyle pek çok alanda kullan im olanagina sahiptirler. Giyilebilir teknoloji, insanlar tarafindan giyilebilen teknolojik aletlerin genel adidir ve vücut hareketlerini izleyen akilli sensörlerle yüklüdür. Akilli saat, akilli gözlük, vücut sensörleri, elektronik giyim esyalari, mücevher ve kisisel video kayit cihazlari giyilebilir teknoloji ürünleri arasinda yer alir. Giyilebilir teknolojiler, insanlarin hayatlarini kolaylastirmak, saglik izleme, spor performansi takibi, moda ve diger alanlarda yenilikçi çözümler sunmak için hizla gelisen bir sektördür. Ancak, mevcut giyilebilir cihazlarin birçogu, kullanici konforu, esneklik ve nefes alabilirlik gibi önemli faktörlerde sinirlamalarla karsilasmaktadir. Iletken polimerler, elektriksel iletkenlik özelligi gösteren organik polimer malzemelerdir. Geleneksel polimerlerin çogu elektriksel olarak yalitkan özellik gösterirken, iletkende polimerler elektrik akimini iletme yetenegine sahiptir. Iletken polimerler, organik moleküler yapilarindaki konjugasyon ve yük tasiyicilarinin varligi sayesinde iletkenlik gösterirler. 1934 yilinda Formhals tarafindan, elektrostatik kuvvetler kullanilmak suretiyle polimerlerden filament lif üretilmesi isleminin patenti alinmis ve kullanilan bu yöntem "elektrospinning" olarak tanimlanmistir. Elektrospinning yöntemi ile polimer çözeltisi ya da eriyiginden lif çekiminde, yüksek bir potansiyel gerilim kullanilarak polimer elektriksel olarak yüklenmekte, ince jet düzesinden çikan polimer jeti, düzenin karsisina yerlestirilmis olan topraklanmis hedefe dogru akmaktadir. Bu akim sirasinda polimer jeti çok ince lifçikler halinde saçilmakta ve bu sayede nano seviyede çapa sahip lifler elde edilebilmektedir. Üç boyutlu baski 3 boyutlu olarak tasarlanmis sanal bir nesnenin polimer, kompozit, reçine gibi malzemelerden isil veya kimyasal islemden geçirilerek üretilme islemidir. Bu islemi gerçeklestiren cihazlara ise üç boyutlu yazici adi verilmektedir. Sonuç olarak, ilgili teknik alanda yukarida anlatilan dezavantajlarin önüne geçmek için giyilebilir teknolojilerde kullanima uygun yüksek yüzey alani, düsük termal iletkenlik, nefes alabilir, su itici özelliklerinde ve mekanik esneklik saglayan polimer tabanli bir nanofiber ve bu nanofiberin eldesi ile ilgili arastirma ve gelistirime faaliyetleri gerçeklestirilmesi gerekmektedir. BULUSUN KISA AÇIKLAMASI Ilgili teknik alanda, bununla sinirlandirilmamakla birlikte giyilebilir teknolojilerde kullanima uygun yüksek yüzey alani, düsük termal iletkenlik, nefes alabilir, su itici özelliklerinde ve mekanik esneklik saglayan bir nanofiber ile ilgilidir. Mevcut bulusun bir amaci, polimer tabanli bir nanofiber ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, yüksek yüzey alanina sahip düsük termal iletkenlige sahip bir nanofiber ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, mekanik esneklige sahip bir nanofiber ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, termoelektrik özellikte nanofiber ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, düsük maliyetli bir nanofiber ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, elektrospinning yönteminin 3D yazici ile entegrasyonunu ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, mekanik dayanikliligi ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, enerji verimliligini ortaya koymaktir. Mevcut bulusun bir diger amaci, yenilenebilir enerji alanlarini ortaya koymaktir. BU LUSUN DETAYLI AÇIKLAMASI Bulus, bununla sinirlandirilmamakla birlikte giyilebilir teknoloji alaninda kullanima uygun yüksek yüzey alani, düsük termal iletkenlik ve mekanik esneklik saglayan bir nanofiber ile ilgilidir. Nano lifler, genel olarak bir mikrondan daha düsük çapa sahip olan lifler olarak tanimlanmaktadir. Nano liflerden olusan yüksek yüzey alanina sahip ve gözenekli yüzeyler, farkli özellikleri sebebiyle pek çok alanda kullan im olanagina sahiptirler. Giyilebilir teknoloji, insanlar tarafindan giyilebilen teknolojik aletlerin genel adidir ve vücut hareketlerini izleyen akilli sensörlerle yüklüdür. Akilli saat, akilli gözlük, vücut sensörleri, elektronik giyim esyalari, mücevher ve kisisel video kayit cihazlari giyilebilir teknoloji ürünleri arasinda yer alir. Giyilebilir teknolojiler, insanlarin hayatlarini kolaylastirmak, saglik izleme, spor performansi takibi, moda ve diger alanlarda yenilikçi çözümler sunmak için hizla gelisen bir sektördür. Ancak, mevcut giyilebilir cihazlarin birçogu, kullanici konforu, esneklik ve nefes alabilirlik gibi önemli faktörlerde sinirlamalarla karsilasmaktadir. Bulusa konu nanofiber bünyesinde en az bir polimer içermektedir. Bulus bünyesinde yer alan polimer iletken özelliktedir. Iletken polimerler, elektriksel iletkenlik özelligi gösteren organik polimer malzemelerdir. Geleneksel polimerlerin çogu elektriksel olarak yalitkan özellik gösterirken, iletkende polimerler elektrik akimini iletme yetenegine sahiptir. Iletken polimerler, organik moleküler yapilarindaki konjugasyon ve yük tasiyicilarinin varligi sayesinde iletkenlik göstermektedirler. Bulusa konu nanofiber bünyesinde tercihen PETG polimerini içermektedir. PETG, darbe dayanimi, esneklik, seffaflik, düsük termal genlesme katsayisi, kimyasal ve UV dayanimi özelliklerine sahip bir termoplastik polimerdir. PETG kullanimi ile esnek ve hafiflik saglayacak olup çesitli egimli veya kavisli yüzeylere uygulanabilme ve tasima kolayligi gibi avantajlar sunmaktadir. Bulusta düsük isil iletkenlik istenmekte olup, sicaklik farklarini korumak ve enerjiyi yönlendirmek için yüksek termal direnç gerekmektedir. Bulus bir baska yönüyle de PETG polimeri düsük isil iletkenlik için kullanilmaktadir. Düsük termal genlesme katsayisi özelligi ile malzemenin sicaklik degisikliklerine karsi daha az tepki vermekte ve daha istikrarli bir performans sergilemektedir. Bulusa konu nanofiber bünyesinde agirlikça %70 ila %90 arasinda bir degerde PETG polimeri içermektedir. Böylece hedeflenen iletkenlik, tutunma ve esneklik özellikleri bu degerler arasinda saglanmaktadir. PETG bilesenine aktif karbon ilavesi yapilmaktadir. Aktif nanokarbon, termal ve elektriksel iletkenligi arttirmakta böylece isi dagilimini ve elektriksel performansi iyilestirmektedir. PETG hafif ve esnek bir polimerdir. Aktif karbon bilesigi ise, PETG bileseninin hafifligini korurken ekstra mukavemet ve esneklik saglamaktadir. Bulusa konu aktif karbon parçacik boyutunun 90 nm ila 110 nm arasinda bir degerde olmasidir. Bulusa konu nanofiber bünyesinde agirlikça %9 ila %29 arasinda bir degerde aktif karbon içeriyor olmasidir. Bulusta polimer tabanli nanofiberler, giyilebilir cihazlarin konforunu ve performansini arttirmak için kullanilmaktadir. Örnegin, spor giyiminde ter emici ve nefes alabilir özellikler sunmakta, saglik izleme cihazlarinda deri ile temasi optimize etmekte veya esnek ve hafif elektronik cihazlar için bir altl ik görevi görmektedir. Bulus, bununla sinirlandirilmamakla birlikte giyilebilir teknoloji alaninda kullanima uygun yüksek yüzey alani, düsük termal iletkenlik ve mekanik esneklik saglayan bir nanofiber üretimi için bir yöntem ile ilgilidir. Bulusa konu nanofiber üretim yöntemi; i. malzeme seçimi, ii. polimer çözeltisinin hazirlanmasi, iii. 3D yazicinin tasarimi ve ayarlanmasi, iv. elektrospinning islemi, v. (iv) islem adimindan sonra sinterleme, kimyasal islemler gibi post-islemlerin uygulanmasi vi. nozulun ucuna gerilim uygulanmasi, (i) islem adimina konu olan malzeme olarak elektriksel iletken polimer seçilmelidir. (ii) islem adiminda elektrospinning için polimer çözeltisi hazirlanacaktir. Bulus bünyesinde PETG bilesenine aktif karbon ilavesi yapilarak çözelti hazirlanacaktir. (ii) islem adiminda agirlikça %70 ila %90 arasinda bir degerde PETG, agirlikça %9 ila %29 arasinda bir degerde aktif karbon içeriyor olmasidir. (iii) islem adiminda bahsi geçen 3D yazicinin igne ayari yüksekliginin 2 mm ile 20 mm arasinda bir degerde olmasidir. (iii) islem adiminda bahsi geçen 3D yazicinin nozul ayarinin 0,1 mm ila 0,3 mm arasinda bir degerde olmasidir. (iii) islem adiminda bahsi geçen 3D yazicinin ayarlanmasinda çözeltinin akis hizi 2mm/s ila 20 mm/s arasinda bir degerde olmasidir. (ii) islem adiminda hazirlanan polimer çözeltisi (iii) islem adiminda ayarlamasi yapilan igne veya nozuldan kontrollü bir sekilde akitilirken ayni zamanda uygun elektrik alan olusturulacaktir. Bu sayede polimer çözeltisi nanofiberlere dönüserek hedef yüzeye biriktirilmektedir. (iv) islem adiminda elektrospinning islemi 3D yazici üzerinde gerçeklestirilmektedir. (v) islem adiminda bahsi geçen post islemleri sinterleme, kimyasal islemler gibi adimlari içermektedir. (v) islem adiminda bahsi geçen sinterleme islemi isisi 70°C ila 120°C arasinda bir degerde gerçeklesiyor olmasidir. (v) islem adiminda bahsi geçen kimyasal isleminde kullanilan (3-Aminopropil) trimetoksisilan (APTES) bileseni olup agirlikça %0,1 ila %1 arasinda bir degerde gerçeklesiyor olmasidir. (vi) islem adiminda bahsi geçen nozulun ucuna uygulanacak gerilimin 10.000 V ila .000 V arasinda bir degerde gerçeklesiyor olmasidir. Bulus konusunun tercih edilen bir yapilanmasinda son asamada isil islem azot atmosferinde gerçeklestirilmektedir. Böylece nihai ürünün birbirine daha yüksek oranda tutunmasi saglanacaktir. Bulusa konu nanofiberler, giyilebilir teknolojiler, elektronik endüstrisi, saglik sektörü, enerji depolama ve dönüsüm sektörü ve otomotiv sektöründe kullanima uygundur. Bulusa konu nanofiber bünyesinde yer alan elektriksel iletken polimerleri, elektriksel direnç ölçümü ve Seebeck ölçümleri ile test edilmektedir. Elektriksel direnç ölçümleri ve Seebeck ölçümleri, elektriksel iletken polimerlerin performansini ve kullanim potansiyelini degerlendirmek için önemli araçlardir. Bu ölçümler, malzemenin iletkenlik seviyesini, elektriksel direncini, termoelektrik etkinligini ve potansiyel uygulamalarini anlamak için kullanilmaktadir. Elektriksel direnç ölçümü, bir malzemenin elektriksel iletkenligini degerlendirmek amaci ile kullanilan bir yöntemdir. Elektriksel iletken polimerlerde malzemenin direnci, elektrik akiminin polimer boyunca geçisini ne kadar engelledigini göstermektedir. Direnç ölçümü genellikle dört uçlu baglanti teknigi ile gerçeklestirilmektedir. Bulusta, bir akim uygulanir ve malzeme üzerindeki voltaj düsümü ölçülmektedir. Bu degerler kullanilarak direnç hesaplanmaktadir. Bulusa konu nanofiberin direnç degeri 10 Ohm ila 150 Ohm arasinda bir Seebeck etkisi, farkli sicakliklara sahip iki nokta arasindaki sicaklik gradyanindan kaynaklanan termoelektrik gerilimi ifade etmektedir. Elektriksel iletken polimerlerin termoelektrik özelliklerini degerlendirmek için Seebeck ölçümleri kullanilir. Bu ölçümler, bir malzemenin termoelektrik etkinligini, yani sicaklik gradyanina bagli olarak üretilen termoelektrik gerilim miktarini belirlemeye yardimci olmaktadir. Seebeck ölçümleri genellikle iki nokta arasinda gerilim farki ölçülerek gerçeklestirilmekte ve bu veriler kullanilarak Seebeck katsayisi hesaplanmaktadir. Yüksek Seebeck katsayisi, daha etkili bir termoelektrik dönüsüm saglamakta ve dolayisiyla daha iyi termoelektrik cihazlar anlamina gelmektedir. Bulusa konu Seebeck katsayisi 30 pV/K ila 40 pV/K arasinda bir degerdedir. Bulusun koruma kapsami ekte verilen istemlerde belirtilmis olup kesinlikle bu detayli anlatimda örnekleme amaciyla anlatilanlarla sinirli tutulamaz. Zira teknikte uzman bir kisinin, bulusun ana temasindan ayrilmadan yukarida anlatilanlar isiginda benzer yapilanmalar ortaya koyabilecegi açiktir. TR TR TR TR TRDESCRIPTION A NANOFIBER SUITABLE FOR USE IN WEARABLE TECHNOLOGIES AND A METHOD FOR ITS PRODUCTION TECHNICAL FIELD The invention relates to, but is not limited to, a nanofiber that provides high surface area, low thermal conductivity, breathability, water repellency and mechanical flexibility suitable for use in the field of wearable technology, and a method for its production. BACKGROUND ART Nanofibers are generally defined as fibers having a diameter of less than a micron. The high surface area and porous surfaces composed of nanofibers have various properties that allow them to be used in many areas. Wearable technology is the general name for technological devices that can be worn by people and are loaded with smart sensors that monitor body movements. Wearable technology products include smart watches, smart glasses, body sensors, electronic clothing, jewelry, and personal video recorders. Wearable technology is a rapidly developing sector that offers innovative solutions for improving people's lives, health monitoring, sports performance tracking, fashion, and other areas. However, many existing wearable devices face limitations in key factors such as user comfort, flexibility, and breathability. Conductive polymers are organic polymer materials that exhibit electrical conductivity. While most traditional polymers are electrically insulating, conductive polymers have the ability to conduct electric current. Conductive polymers exhibit conductivity due to the conjugation and presence of charge carriers in their organic molecular structures. In 1934, Formhals patented the process of producing filament fibers from polymers using electrostatic forces, and this method was defined as "electrospinning." Electrospinning draws fibers from a polymer solution or melt using a high potential voltage, electrically charging the polymer. The polymer jet, emerging from a fine jet nozzle, flows toward a grounded target positioned opposite the nozzle. During this flow, the polymer jet disperses into very fine fibrils, resulting in fibers with nanoscale diameters. Three-dimensional printing is the process of producing a three-dimensionally designed virtual object from materials such as polymers, composites, and resins through thermal or chemical processes. The devices that perform this process are called three-dimensional printers. As a result, in order to avoid the above-described disadvantages in the relevant technical field, it is necessary to carry out research and development activities related to a polymer-based nanofiber that provides high surface area, low thermal conductivity, breathability, water repellency, and mechanical flexibility suitable for use in wearable technologies, and to obtain this nanofiber. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The relevant technical field relates to, but is not limited to, a nanofiber that provides high surface area, low thermal conductivity, breathability, water repellency, and mechanical flexibility suitable for use in wearable technologies. One aim of the present invention is to provide a polymer-based nanofiber. Another aim of the present invention is to provide a nanofiber with high surface area and low thermal conductivity. Another aim of the present invention is to provide a nanofiber with mechanical flexibility. Another aim of the present invention is to provide a nanofiber with thermoelectric properties. Another aim of the present invention is to provide a low-cost nanofiber. Another aim of the present invention is to demonstrate the integration of electrospinning with a 3D printer. Another aim of the present invention is to demonstrate mechanical durability. Another aim of the present invention is to demonstrate energy efficiency. Another aim of the present invention is to explore renewable energy fields. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention relates to a nanofiber that provides high surface area, low thermal conductivity, and mechanical flexibility, suitable for use in, but not limited to, wearable technology. Nanofibers are generally defined as fibers with a diameter of less than one micron. The high surface area and porous surfaces formed by nanofibers have various applications due to their diverse properties. Wearable technology is the general term for technological devices that can be worn by humans and are loaded with smart sensors that monitor body movements. Wearable technology products include smart watches, smart glasses, body sensors, electronic clothing, jewelry, and personal video recorders. Wearable technology is a rapidly developing sector that simplifies people's lives and offers innovative solutions in health monitoring, sports performance tracking, fashion, and other areas. However, many existing wearable devices face limitations in key factors such as user comfort, flexibility, and breathability. The nanofiber in question contains at least one polymer. The polymer in question is conductive. Conductive polymers are organic polymer materials that exhibit electrical conductivity. While most conventional polymers are electrically insulating, conductive polymers have the ability to conduct electric current. Conductive polymers exhibit conductivity due to the presence of conjugation and charge carriers in their organic molecular structures. The nanofiber in question preferably contains PETG polymer. PETG is a thermoplastic polymer with impact resistance, flexibility, transparency, a low coefficient of thermal expansion, and chemical and UV resistance. The use of PETG provides flexibility and lightness, and offers advantages such as application to various inclined or curved surfaces and ease of handling. The invention requires low thermal conductivity, and high thermal resistance is required to maintain temperature differences and conduct energy. Another aspect of the invention is the use of PETG polymer for low thermal conductivity. Its low coefficient of thermal expansion makes the material less responsive to temperature changes and exhibits more consistent performance. The nanofiber of the invention contains between 70% and 90% PETG polymer by weight. Thus, the targeted conductivity, adhesion, and flexibility properties are achieved within these values. Activated carbon is added to the PETG component. The activated nanocarbon increases thermal and electrical conductivity, thereby improving heat dissipation and electrical performance. PETG is a lightweight and flexible polymer. The activated carbon compound provides extra strength and flexibility while maintaining the lightness of the PETG component. The activated carbon particle size of the invention is between 90 nm and 110 nm. The nanofiber of the invention contains between 9% and 29% activated carbon by weight. The polymer-based nanofibers of the invention are used to improve the comfort and performance of wearable devices. For example, it provides sweat-absorbing and breathable properties in sportswear, optimizes skin contact in health monitoring devices, or serves as a substrate for flexible and lightweight electronic devices. The invention relates to a method for producing a nanofiber that provides high surface area, low thermal conductivity, and mechanical flexibility, suitable for use in the field of wearable technology, but is not limited to this. The nanofiber production method of the invention includes; i. material selection, ii. preparation of the polymer solution, iii. design and adjustment of the 3D printer, iv. electrospinning process, v. (iv) application of post-processing such as sintering and chemical processes after the process step, vi. application of voltage to the tip of the nozzle. (i) an electrically conductive polymer should be selected as the material subject to the process step. (ii) the polymer solution will be prepared for electrospinning in the process step. Within the scope of the invention, the solution will be prepared by adding activated carbon to the PETG component. (ii) the process step contains between 70% and 90% by weight of PETG and between 9% and 29% by weight of activated carbon. (iii) The needle adjustment height of the 3D printer mentioned in the process step should be between 2 mm and 20 mm. (iii) The nozzle setting of the 3D printer mentioned in the process step should be between 0.1 mm and 0.3 mm. (iii) When adjusting the 3D printer mentioned in the process step, the flow rate of the solution should be between 2mm/s and 20 mm/s. (ii) The polymer solution prepared in the process step (iii) is flowed in a controlled manner through the adjusted needle or nozzle in the process step, while an appropriate electric field is created. In this way, the polymer solution transforms into nanofibers and is deposited on the target surface. (iv) The electrospinning process is performed on the 3D printer in the process step. (v) The post processes mentioned in the process step include steps such as sintering and chemical processes. (v) The sintering process temperature mentioned in the process step is carried out at a value between 70°C and 120°C. (v) The component used in the chemical process mentioned in the process step is (3-Aminopropyl) trimethoxysilane (APTES), which is carried out at a value between 0.1% and 1% by weight. (vi) The voltage applied to the tip of the nozzle in the process step is between 10,000 V and 0,000 V. In a preferred embodiment of the invention, the final heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere. This will ensure higher adhesion of the final product. The nanofibers of the invention are suitable for use in wearable technologies, the electronics industry, the healthcare sector, the energy storage and conversion sector, and the automotive sector. The electrically conductive polymers within the nanofibers of the invention are tested using electrical resistance measurements and Seebeck measurements. Electrical resistance measurements and Seebeck measurements are important tools for evaluating the performance and potential use of electrically conductive polymers. These measurements are used to understand the conductivity level, electrical resistance, thermoelectric efficiency, and potential applications of a material. Electrical resistance measurement is a method used to evaluate the electrical conductivity of a material. In electrically conductive polymers, the material's resistance indicates how much it prevents the passage of electric current through the polymer. Resistance measurements are typically performed using a four-terminal connection technique. In this invention, a current is applied and the voltage drop across the material is measured. Using these values, the resistance is calculated. The nanofiber in question has a resistance value between 10 Ohm and 150 Ohm. The Seebeck effect refers to the thermoelectric voltage resulting from a temperature gradient between two points at different temperatures. Seebeck measurements are used to evaluate the thermoelectric properties of electrically conductive polymers. These measurements help determine a material's thermoelectric efficiency, that is, the amount of thermoelectric voltage generated due to a temperature gradient. Seebeck measurements are generally performed by measuring the voltage difference between two points, and the Seebeck coefficient is calculated using this data. A higher Seebeck coefficient provides a more effective thermoelectric conversion and therefore translates to better thermoelectric devices. The Seebeck coefficient of the invention is between 30 pV/K and 40 pV/K. The scope of protection of the invention is specified in the appended claims and is by no means limited to what is explained in this detailed description for illustrative purposes. It is clear that a person skilled in the art could devise similar structures based on the above without departing from the main theme of the invention.

Claims

1.