Nanofibres extensibles de nanocomposite de polyfluorure de vinylidène (PVDF)/polyuréthane thermoplastique (TPU) pour soutenir la réponse piézoélectrique via l'élasticité mécanique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8335 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 28 juin 2022

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L'intérêt pour les nanocomposites piézoélectriques s'est considérablement accru dans le domaine de la récupération d'énergie. Ils sont appliqués dans l'électronique portable, les actionneurs mécaniques et les membranes électromécaniques. Dans ce travail de recherche, des membranes nanocomposites de différents ratios de mélange de PVDF et de TPU ont été synthétisées. Le PVDF est responsable des performances piézoélectriques où il est l'un des matériaux organiques polymères prometteurs contenant des feuilles β, pour convertir la contrainte mécanique appliquée en tension électrique. De plus, le TPU est largement utilisé dans l'industrie du plastique en raison de son élasticité supérieure. Notre travail étudie l'analyse de réponse piézoélectrique pour différents rapports de mélange de PVDF/TPU. Il a été constaté que des taux de mélange de TPU de 15 à 17,5 % donnent une tension de sortie plus élevée dans différentes conditions de contraintes ainsi qu'une piézosensibilité plus élevée. Ensuite, l'ajout de TPU avec son élasticité mécanique supérieure peut partiellement compenser le PVDF pour améliorer la réponse piézoélectrique des tapis nanocomposites PVDF/TPU. Ce travail peut aider à réduire la quantité de PVDF ajouté dans les membranes piézoélectriques avec une sensibilité piézoélectrique et une élasticité mécanique améliorées.

Au cours des dernières décennies, des recherches approfondies concernant l'utilisation de sources d'énergie alternatives ont été menées1. Cela a principalement suivi l'utilisation de diverses sources d'énergie propres et renouvelables en raison de leur durabilité et de leur respect de l'environnement2. De plus, les technologies de récupération d'énergie ont récemment été au centre des préoccupations, où l'énergie gaspillée des environnements ambiants est utilisée. Ces technologies peuvent transformer les vibrations, la chaleur, la lumière, les radiations, le vent et l'eau en énergies électriques pour les appareils de faible puissance1. La recherche s'est également étendue pour inclure la récupération d'énergie dans les applications biomédicales3 et a offert des capteurs biomédicaux prometteurs et des appareils électroniques portables4,5, en raison de la capacité de récolter l'énergie cinétique sous forme de vibrations provenant d'activités humaines directes telles que la marche, la course et le tapotement des doigts pour rythme cardiaque et respiration6,7. L'énergie cinétique est récoltée sur la base de trois mécanismes de transduction ; piézoélectrique, électromagnétique ou électrostatique. En raison de leur densité d'énergie élevée, de leur conception simple et de leur capacité à être réduits à des dispositifs à l'échelle micro et nanométrique, les récupérateurs d'énergie piézoélectriques ont attiré le plus d'attention8,9,10. Les matériaux piézoélectriques possèdent également la capacité unique de convertir directement l'énergie mécanique en électricité, sans apport externe11,12. Par conséquent, de nombreux efforts ont été déployés pour développer des nanogénérateurs piézoélectriques à haute performance utilisant des matériaux organiques et inorganiques13,14,15.

Il a été constaté que les matériaux piézoélectriques organiques présentent de plus grands avantages que les matériaux inorganiques, y compris un niveau de processabilité plus élevé16. Ces matériaux se sont avérés applicables dans une large gamme de dispositifs, les matériaux à base de polymère étant plus préférés en raison de leur nature flexible intrinsèque, offrant un degré élevé de flexion et de biodégradabilité17,18. Parmi tous les polymères piézoélectriques, les films de poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) ont montré les performances piézoélectriques les plus élevées à ce jour19,20,21. En raison de la nature cristalline polaire du PVDF, sa capacité à produire de grandes tensions avec de faibles forces l'a rendu favorable aux applications piézoélectriques20,22,23. La propriété piézoélectrique du PVDF dépend principalement de sa phase β, l'une de ses quatre phases cristallines22,24. En plus de sa légèreté, de sa flexibilité, de sa résistance aux solvants et de sa stabilité sous des champs électriques élevés, il est considéré comme le biomatériau optimal pour les applications dans les capteurs d'énergie, les capteurs de force et les transducteurs.

Les nanofibres de PVDF sont le principal candidat pour de telles applications, en particulier les dispositifs portables et implantables. Les principales techniques utilisées pour fabriquer de telles fibres comprennent l'électrofilage, le filage par fusion et le filage centrifuge25,26. L'électrofilature a été la plus prometteuse car elle peut former des nanofibres à partir de solutions ou de fusions de diamètres variables. De plus, il a été rapporté que la teneur en phase β des nanofibres de PVDF produites par électrofilage est supérieure à celle des films coulés en PVDF, améliorant ainsi ses propriétés piézoélectriques27.

L'électrofilage offre également la possibilité d'améliorer encore les propriétés piézoélectriques des nanofibres PVDF fabriquées en raison de sa capacité à produire des fibres alignées avec des structures creuses ou divers additifs pour des performances améliorées28. Ces additifs comprennent les nanotubes de carbone (NTC), le graphène et le ZnO29. Une étude précédente a produit avec succès un nanogénérateur à partir d'un nanocomposite PVDF-ZnO, montrant que l'ajout de particules de ZnO augmentait sa tension de sortie30. De plus, des nanogénérateurs piézoélectriques incorporant du ZnO ont été implantés avec succès chez des rats vivants pour récolter l'énergie des battements cardiaques et des mouvements respiratoires. Cette étude a montré un grand potentiel d'utilisation des nanogénérateurs PVDF-ZnO comme source d'alimentation pour les dispositifs électroniques biomédicaux implantables, ce qui suggère un fort potentiel pour de tels dispositifs dans des applications liées à la normalisation du rythme cardiaque et à la stimulation cérébrale pour le traitement des troubles du mouvement31. De plus, le PVDF et ses copolymères ont été utilisés pour des applications de détection de pression, servant de dispositifs de surveillance des soins de santé pour les signaux respiratoires. Des composites de PVDF et d'oxydes de graphène ont également été développés pour de multiples applications sensorielles, présentant une sensibilité élevée pour la surveillance simultanée des pressions artérielles et des températures32. Les nanofibres de PVDF ont également été explorées pour l'application de capteurs de pression artérielle en raison de leur excellente flexibilité33, et ont été testées avec succès sur un modèle in vitro où des films minces de PVDF étaient enroulés autour de l'aorte, et des signaux périodiques de courant et de tension de sortie étaient générés avec le mouvement de l'artère, montrant une grande sensibilité.

Par rapport à plusieurs composites, l'ajout de polyuréthane thermoplastique (TPU) a montré un grand potentiel d'amélioration des propriétés mécaniques34. De telles caractéristiques peuvent être requises pour des applications dans la cicatrisation des plaies et la filtration.

Plusieurs études ont étudié les caractéristiques et les performances des tapis composites PVDF/TPU pour différentes applications électriques et biomédicales35,36,37,38. Des échafaudages électrofilés en PVDF/TPU ont été introduits pour la cicatrisation des plaies, où la migration cellulaire et les activités des fibroblastes ont été améliorées en raison de la piézoélectricité du matériau composite39. Une autre étude a évalué les changements de propriétés piézoélectriques et mécaniques liés à l'ajout de TPU avec des nanofibres de PVDF40. Les résultats ont montré une plus grande flexibilité dans les excitations dipolaires à l'intérieur du PVDF en raison du contenu élastique du TPU. Le tapis de nanofibres composites (GO)/Bi2S3-PVDF/TPU a été développé pour les applications photothermiques41, combinant des nanoparticules GO/Bi2S3 comme matériau de conversion photothermique et une membrane PVDF/TPU électrofilée comme substrat. Les résultats ont observé que le nouveau tapis hybride a un taux d'absorption de la lumière d'environ 95 % dans une plage de longueurs d'onde de 400 à 2 500 nm. De plus, la présence de TPU améliore significativement la résistance mécanique du film composite. Du TPU et de l'oxyde polycristallin de titanate de bismuth et de sodium (Bi0,5Na0,5TiO3; BNT) ont été mélangés avec du (PVDF) et coulés à l'aide d'une coucheuse à lame pour étudier leur effet sur la réponse piézoélectrique des membranes composites42. L'amélioration remarquable du coefficient piézoélectrique de cisaillement de face (d36) a été révélée en ajustant le contenu de mélange de TPU en raison de la formation de la structure des micropores, ce qui facilite le transfert de charge sous différents types de contraintes.

Dans notre travail, nous analysons les caractéristiques mécaniques et piézoélectriques détaillées de différents rapports de mélange de tapis de nanofibres PVDF et TPU synthétisés par le procédé d'électrofilage. En détail, nous vérifions les rapports de mélange optimaux pour générer la tension maximale à différentes forces appliquées. De plus, nous montrons l'impact de la fréquence de la force appliquée sur le comportement de réponse piézoélectrique de différents tapis de nanofibres mélangés. Ce travail est utile pour les appareils électroniques portables et les unités de récupération d'énergie.

Le fluorure de polyvinylidène (PVDF) (Kynar, Arkema, PA, USA) est fourni par ARKEMA et le polyuréthane thermoplastique (TPU) avec un indice de polydispersité (PDI) de 1,83 et un poids moléculaire de 107 020 g mol-1 est fourni par (BASF Co., Ltd ., Berlin, Allemagne). Des concentrations de polymère connues ont été dispersées dans du diméthylformamide (DMF 98 %, Sigma Aldrich, Taufkirchen, Allemagne).

Différents rapports de mélange de solution de PVDF et de TPU avec une concentration constante de polymère de 10 % ont été préparés et traités par la configuration d'électrofilage. Une étude comparative de l'effet de l'ajout de TPU sur les propriétés piézoélectriques et mécaniques du tapis PVDF a été introduite à travers cinq rapports de mélange différents de PVDF/TPU (95:5, 90:10, 87,7:12,5, 85:15, 82,5:17,5, 80:20, 75:25 et 70:30). Le processus d'électrofilage a été réalisé en ajoutant 10 ml de solution de polymère dans une seringue en plastique munie d'une aiguille en acier inoxydable. Les tensions positives ont été fournies à partir d'une alimentation haute tension CZE1000R (Spellman, Hauppauge, NY, USA) à l'aiguille métallique avec jauge 18, pour l'application de tensions autour de 25 kV avec un débit d'alimentation constant de (1 mL/h) à l'aide d'un Pousse-seringue NE1000 (New Era Pump Systems, Suffolk County, NY, USA). Distance aiguille-collecteur ajustée à 10 cm. Un composite aléatoire de nanofibres PVDF/TPU a été collecté sur un tambour collecteur recouvert d'une feuille d'aluminium et relié au sol.

La morphologie des nanofibres (NF) de PVDF/TPU a été observée au microscope électronique à balayage (JEOL JSM-6010LV-SEM, Tokyo, Japon) avec une tension d'accélération de 15 kV. Les tapis de nanofibres ont été placés sur du ruban de carbone fixé sur des talons en aluminium et recouverts de platine par pulvérisation cathodique. Le diamètre des NF a été analysé à l'aide du logiciel Image-J (Madison, WI, USA). La distribution moyenne du diamètre des fibres a été détectée manuellement en mesurant la longueur à travers les limites des fibres à différentes échelles d'imagerie (50 µm, 10 µm et 1 µm). Le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) (Vertex 70 FT-IR, Bruker, Billerica, MA, USA) a été ajusté en mode ATR. Les échantillons ont été scannés 120 fois à une résolution de 5 cm-1 sur une plage de 4000 à 400 cm-1 pour étudier les groupes fonctionnels chimiques des tapis mélangés.

Le test de l'effet de l'ajout de TPU sur les propriétés mécaniques des tapis fabriqués a été réalisé en coupant les membranes de nanofibres en morceaux rectangulaires égaux (1 × 6 cm). Les échantillons ont été fixés entre des cadres de maintien d'une longueur entre repères de 4 cm. Une machine d'essai universelle (TENSO LAB 5000, Mesdan, Italie) a été utilisée pour effectuer la courbe contrainte-déformation. L'essai de traction a été réalisé à une vitesse de déformation égale à 10 mm/min avec des charges initiales nulles en utilisant une cellule de charge de 100 N.

Les membranes de nanofibres PVDF/TPU synthétisées ont été testées sous une charge cyclique à l'aide d'un instrument d'excitation construit à cet effet (Fig. 1). L'instrument se compose d'un assemblage de piston à ressort léger qui oscille verticalement. La fréquence d'excitation est contrôlée en faisant varier la vitesse du moteur à courant continu sans balais entraînant le piston à l'aide d'un régulateur de vitesse électronique. L'échantillon est pris en sandwich entre deux feuilles de papier d'aluminium reliées par des fils blindés à un oscilloscope à haute impédance (Tektronix MDO3014), puis placé sous le piston. La charge maximale est contrôlée en contrôlant la hauteur du piston et donc en modifiant la distance de compression du ressort lors de l'engagement avec l'échantillon pendant le fonctionnement. La force maximale appliquée variait entre 1 et 3 N, et la tension crête à crête a été mesurée en conséquence.

Représentation schématique de la configuration de caractérisation piézoélectrique (a) et une image de la configuration réelle (b).

Les signaux de tension piézoélectriques des nanofibres PVDF/TPU ont été analysés à l'aide d'une configuration de chargement d'impulsion simple, comme le montre la figure 2. Les tapis de nanofibres ont été placés entre deux feuilles de cuivre, connectés à un oscilloscope à haute impédance par des fils blindés et exposés à différents poids pour le test de charge impulsionnelle. Les poids, allant de 50 à 250 g, ont été lâchés sur les nanofibres en sandwich à partir d'une hauteur fixe de 5 cm. La tension résultante a ensuite été détectée et évaluée (Fig. 2).

Représentation schématique de la configuration de chargement d'impulsion (a) et une image de la configuration réelle (b).

La figure 3 montre les images SEM de nanofibres composites PVDF/TPU. Les images montrent une distribution homogène des fibres avec une formation minimale de billes. Le diamètre moyen des fibres a été calculé et un histogramme de la distribution des fibres a été présenté à la Fig. 3. Les résultats montrent un diamètre moyen des fibres pour le PVDF pur et les mats composites mélangés dans la plage de 254 nm à 267 nm. Il a été observé que l'ajout de TPU n'affectait pas de manière significative le diamètre de la fibre, ce qui assure la haute compatibilité et l'homogénéité de la solution de polymère mixte.

Images MEB de membranes de nanofibres composites en PVDF pur (a), TPU 15 % (b), TPU 25 % (c) et TPU 30 % (d).

Les spectres FT-IR des membranes composites nanofibreuses sont présentés à la Fig. 4. Les données FT-IR sont introduites pour identifier les phases cristallines du PVDF. Le PVDF peut être formé en cinq phases cristallines différentes (α, β, γ, δ et ε). La phase α est considérée comme la phase non polaire la plus obtenue et la plus stable du PVDF, tandis que la phase β est responsable de l'amélioration des propriétés piézoélectriques. Il a été constaté que le processus d'électrofilage peut améliorer la piézoélectricité du PVDF en augmentant la teneur en phase β ; ceci peut être attribué à l'effet du champ électrique élevé, qui induit l'alignement des dipôles dans la même direction, normale à l'axe de la chaîne formant une polarisation spontanée et présentant un fort effet piézoélectrique. Comme le montre la Fig. 4a, le graphique montre les principales bandes caractéristiques du PVDF à 840 cm−1 pour CH2 rocking, C–C et CF2 stretching, 1175 et 1400 cm−1 pour CF, et CH vibrations, respectivement43,44,45 . Alors que les bandes caractéristiques du TPU sont apparues à 1533, 1735, 2971, 3365 cm−1 correspondant à la liaison asymétrique -CONH–, C=O, C–H et N–H stretching, respectivement46,47. Les données résultantes de la Fig. 4a clarifient la diminution d'intensité des bandes d'absorption du PVDF avec l'augmentation de la teneur en TPU. De plus, les pics caractéristiques du TPU sont fortement apparus avec des concentrations de TPU plus élevées par rapport au PVDF pur, comme présenté dans les Fig. 4b, c.

Courbes FT-IR pour les nanofibres composites PVDF/TPU.

La teneur en phase bêta a été calculée selon l'équation suivante dérivée de la loi de Beer-Lambert ;

où Aα et Aβ sont les intensités des bandes d'absorbance à 764 cm-1 et 840 cm-1 respectivement.

Comme le montre le tableau 1, une teneur remarquablement élevée en feuillets bêta polaires a été observée pour le PVDF pur et le TPU 15 %, confirmant la réponse piézoélectrique supérieure du tapis composite TPU 15 %. Il a été rapporté que l'amélioration de la teneur en phase β dans les nanofibres électrofilées est attribuée à l'étirement du jet de polymère sous un champ électrique élevé à l'intérieur du processus d'électrofilage45. Par conséquent, la teneur élevée en phase β pour le TPU 15 % peut être attribuée à l'effet de l'élasticité mécanique du TPU sur la facilitation de la réorientation des dipôles électriques à l'intérieur de la nanofibre composite sous l'exposition d'une excitation mécanique appliquée42. Cependant, plus le contenu en TPU augmente au-delà de 15 % ; le composite perd la polarisabilité résultante et la teneur correspondante en feuillets bêta du PVDF.

La figure 5 montre les courbes contrainte-déformation des membranes de nanofibres composites PVDF/TPU. Il a été clairement observé que l'ajout de TPU améliorait significativement les propriétés mécaniques des membranes produites. Les TPU 25 % et 30 % ont révélé une résistance à la traction maximale presque similaire d'environ 7 MPa et une contrainte de rupture d'environ 97 %. Alors que le PVDF pur et les faibles concentrations de TPU (5% et 10%) ont montré une faible élasticité avec une résistance à la traction inférieure à 2 MPa, et un allongement à la rupture de 23%. Comme on le voit, l'augmentation de la teneur en TPU jusqu'à 30 % a augmenté l'élasticité de la membrane de plus de quatre fois celle du PVDF pur. Le TPU 15 % a montré un comportement optimal entre les concentrations élevées et faibles de TPU avec une résistance à la traction de 3,8 MPa et une contrainte de rupture de 82 %. Ces caractéristiques d'élasticité mécanique supérieures des membranes composites PVDF/TPU en font un bon candidat pour plusieurs applications nécessitant une élasticité élevée, telles que les jauges de contrainte, la cicatrisation des plaies et la filtration de l'air39,48,49.

Courbes contrainte-déformation des nanofibres composites PVDF/TPU.

En ce qui concerne l'analyse force-tension pour différentes concentrations de PVDF/TPU, le tableau 2 met en évidence chaque échantillon testé ainsi que la tension résultante aux forces minimales et maximales utilisées. On peut noter que la tension résultante semble augmenter en augmentant la force appliquée et la concentration en TPU. Cependant, on constate qu'une forte augmentation des concentrations de TPU a entraîné des tensions crête à crête plus faibles ou fourni des résultats perturbateurs. Les tapis de nanofibres composites PVDF/TPU avec une concentration de 15 % de TPU semblaient avoir la valeur la plus élevée, tandis que la concentration la plus élevée de TPU (30 %) a fourni des résultats instables. Ce résultat a été confirmé par une étude récente qui étudie l'effet de l'addition de TPU et d'oxyde polycristallin de titanate de bismuth et de sodium (BNT) sur le coefficient piézoélectrique du PVDF42. Les expériences ont montré que l'intensité du couplage électromécanique de cisaillement de face est remarquablement affectée par l'ajout de TPU. Une amélioration significative du coefficient piézoélectrique d36 est obtenue lorsqu'une petite portion de TPU (≤ 5%) est introduite dans le composite. Dans la plage de 5 à 20 %, une augmentation presque linéaire de d36 peut être obtenue ; puis, il diminue à une concentration en TPU plus élevée (> 20 %)42. La polarisation à l'intérieur du nanocomposite est principalement dans la direction de l'épaisseur du tapis en raison de la direction du champ électrique à l'intérieur du processus d'électrofilage. Cependant, le TPU affecte principalement une contrainte de cisaillement. Sur la base de l'amélioration de la réponse piézoélectrique qui en résulte, nous pensons qu'une telle contrainte de cisaillement contribue à une meilleure orientation de la polarisabilité pour créer des dipôles plus alignés dans la direction de l'épaisseur, et par conséquent une tension de sortie générée améliorée à la force normale appliquée par l'échantillon.

Pour mieux mettre en évidence les effets de la fréquence (f) sur les différents composites PVDF/TPU, une comparaison a été faite entre le PVDF/TPU 30% et le PVDF/TPU 10% avec des efforts cycliques appliqués à une cadence de 16 Hz et 8 Hz. On peut conclure que des concentrations relativement plus faibles de TPU répondent mieux aux fréquences vibratoires mécaniques. En comparaison, une concentration plus élevée de TPU dans les nanofibres composites PVDF/TPU a entraîné des pics instables et un potentiel électrique indétectable. Les deux Fig. 6 et 7 montrent la relation entre la tension crête à crête et les forces appliquées sur des tapis composites PVDF/TPU à différentes fréquences constantes de 8 Hz et 16 Hz, respectivement. La figure 8 montre que 15 % de TPU est le meilleur rapport de mélange pour générer la tension de sortie maximale à différentes fréquences de vibration mécaniques appliquées, ainsi qu'un meilleur comportement linéaire dans la relation tension-force par rapport à d'autres rapports de mélange, tels que 12,5 et 17,5. % en poids Cependant, on peut observer que les 17,5 % en poids présentent une meilleure piézosensibilité par rapport aux autres rapports de mélange. Par conséquent, on peut conclure que la plage entre 15 et 17,5 % en poids du rapport de mélange du TPU présente les meilleures performances piézoélectriques du point de vue de la tension de sortie et de la piézosensibilité.

Relation entre la tension crête à crête et les forces appliquées à une fréquence de 8 Hz.

Relation entre la tension crête à crête et les forces appliquées à une fréquence de 16 Hz.

Tension de sortie à différentes fréquences mécaniques avec une force appliquée de 3 N.

La réponse piézoélectrique des tapis de nanofibres de différents composites PVDF/TPU a été analysée sous impact de chargement impulsionnel à partir d'une hauteur fixe de 1 cm. Dans la plupart des échantillons, il a été observé que la tension résultante augmentait tout en augmentant le poids exposé, comme illustré à la Fig. poids exposé (150 g). De plus, il a été observé que le TPU 15 % avait des valeurs de tension de sortie relatives ou similaires au PVDF pur, par rapport aux autres échantillons.

Réponse piézoélectrique de différents tapis de nanofibres composites PVDF/TPU sous différentes charges impulsionnelles à partir de 5 cm de hauteur.

Dans ce travail, nous avons étudié les caractéristiques des tapis de nanocomposites élastiques piézoélectriques. Les tapis de nanofibres synthétisés étaient composés de PVDF avec du TPU. La performance piézoélectrique du nanocomposite est liée au PVDF et la caractéristique d'élasticité est liée au TPU mélangé. Nos tapis synthétisés ont été utilisés pour générer une tension électrique sous l'effet de différentes excitations mécaniques, telles que des contraintes mécaniques, avec à la fois des forces et des fréquences de vibration contrôlées, ainsi qu'un chargement impulsionnel via des masses en chute. La réponse piézoélectrique optimale se trouve à un rapport de mélange de TPU entre 15 et 17,5 % en poids, basé sur la tension de sortie et la piézosensibilité. Bien que le rapport de PVDF soit réduit, l'élasticité mécanique du TPU mélangé entraîne une amélioration de la réponse piézoélectrique du nanocomposite. Cette conclusion a été étayée par différentes mesures de tension piézoélectrique à différentes amplitudes et fréquences de forces vibratoires, ainsi que des masses impulsives tombées. Pendant ce temps, l'analyse FTIR a montré que les feuillets bêta du nanocomposite 85:15 sont presque égaux aux tapis de nanofibres de PVDF pur. Ce nanocomposite élastique-piézo innovant peut être appliqué dans les membranes de récupération d'énergie et l'électronique portable.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-022-15428-8

Jurasz, J., Canales, F., Kies, A., Guezgouz, M. & Beluco, A. Une revue sur la complémentarité des sources d'énergie renouvelables : Concept, métriques, application et futures directions de recherche. Sol. Énergie 195, 703–724 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Dyatlov, S., Didenko, N., Ivanova, E., Soshneva, E. & Kulik, S. Perspectives des sources d'énergie alternatives dans le secteur énergétique mondial. Dans la série de conférences IOP : Sciences de la Terre et de l'environnement 012014 (2020).

Mokhtari, F., Azimi, B., Salehi, M., Hashemikia, S. & Danti, S. Progrès récents des composites piézoélectriques à base de polymères pour les applications biomédicales. J. Mech. Comportement Biomédical. Mater. 122, 104669 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Shehata, N. et al. Récolte et détection d'énergie acoustique via une membrane en nanofibres PVDF électrofilées. Capteurs 20, 3111 (2020).

Article ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Zhou, H. et al. Récupérateurs d'énergie piézoélectriques extensibles et capteurs auto-alimentés pour dispositifs portables et implantables. Biosens. Bioélectron. 168, 112569 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Liu, Y. et al. Récupération d'énergie piézoélectrique pour les applications portables auto-alimentées des membres supérieurs. Nano Select 2, 1459–1479 (2021).

Article Google Scholar

Zhu, M., Yi, Z., Yang, B. et Lee, C. L'utilisation de la nanoénergie provenant d'un nanogénérateur humain et d'un capteur auto-alimenté a permis des systèmes sensoriels iot sans fil durables. Nano Aujourd'hui 36, 101016 (2021).

Article Google Scholar

Covaci, C. & Gontean, A. Solutions de récupération d'énergie piézoélectrique : un examen. Capteurs 20, 3512 (2020).

Article ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Sezer, N. & Koç, M. Un examen complet de l'état de l'art de la récupération d'énergie piézoélectrique. Nano énergie 80, 105567 (2020).

Article CAS Google Scholar

Atif, R. et al. Filature soufflée en solution de fibres à base de fluorure de polyvinylidène pour des applications de récupération d'énergie : une revue. Polymères 12, 1304 (2020).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Shivashankar, P. & Gopalakrishnan, S. Examen de l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour le contrôle actif des vibrations, du bruit et du débit. Maître intelligent. Structure. 29, 053001 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Rincón-Quintero, A. et al. Génération et capture d'énergie électrique à l'aide de matériaux piézoélectriques : un bilan. Dans la série de conférences IOP : Science et génie des matériaux, 012031 (2021).

Sahoo, S., Walke, P., Nayak, SK, Rout, CS & Late, DJ Développements récents dans les capteurs chimiques intelligents auto-alimentés pour l'électronique portable. Nano Rés. 14, 3669–3689 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, F. et al. Nanogénérateur piézoélectrique haute performance avec des nanofils d'argent intégrés dans une matrice polymère pour la récupération d'énergie mécanique. Céram. Int. 47, 35096–35104 (2021).

Article CAS Google Scholar

Rana, MM et al. Nanogénérateur piézoélectrique haute performance à modulation de porosité basé sur des nanomatériaux organiques/inorganiques pour la surveillance autonome de l'état des structures. ACS Appl. Mater. Interfaces. 12, 47503–47512 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, Q., Zhao, J., He, B. & Hu, Z. Polymères ferroélectriques à base de poly (fluorure de vinylidène) pouvant être traités en solution pour l'électronique flexible. Maître APL. 9, 010902 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Xu, Q. et al. Construction de plateformes bio-piézoélectriques : Des structures et synthèse aux applications. Adv. Mater. 33, 2008452 (2021).

Article CAS Google Scholar

Keum, K. et al. Supercondensateurs flexibles/extensibles avec une nouvelle fonctionnalité pour l'électronique portable. Adv. Mater. 32, 2002180 (2020).

Article CAS Google Scholar

Cho, Y. et al. Nanocomposites BaTiO3@ PVDF-TrFE avec une orientation efficace préparés via la méthode de nano-revêtement à séparation de phase pour l'amélioration des performances piézoélectriques et l'application au 3D-PENG. Chim. Ing. J. 427, 131030 (2022).

Article CAS Google Scholar

Sukumaran, S. et al. Progrès récents dans les dispositifs polymères piézoélectriques flexibles à base de PVDF pour les applications de récupération d'énergie. J. Intel. Mater. Syst. Structure. 32, 746–780 (2021).

Article CAS Google Scholar

Sharafkhani, S. & Kokabi, M. Actionneur flexible haute performance : nanofibres PVDF incorporées à des nanotubes de carbone alignés axialement. Compos. Partie B. Ing. 222, 109060 (2021).

Article CAS Google Scholar

He, Z., Rault, F., Lewandowski, M., Mohsenzadeh, E. & Salaün, F. Nanofibres PVDF électrofilées pour applications piézoélectriques : examen de l'influence des paramètres d'électrofilage sur la phase β et l'amélioration de la cristallinité. Polymères 13, 174 (2021).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Zhang, S., Zhang, B., Zhang, J. & Ren, K. Performances piézoélectriques améliorées de diverses nanofibres PVDF électrofilées et applications de dispositifs auto-alimentés connexes. ACS Appl. Mater. Interfaces. 13, 32242–32250 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ghafari, E., Jiang, X. & Lu, N. Morphologie de surface et formation en phase bêta de nanofibres composites de fluorure de polyvinylidène (PVDF). Adv. Compos. Matière Hybride. 1, 332–340 (2018).

Article CAS Google Scholar

Song, J., Kim, M. & Lee, H. Progrès récents sur les fabrications de nanofibres : techniques de filage de pointe non conventionnelles. Polymères 12, 1386 (2020).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Alghoraibi, I. & Alomari, S. Différentes méthodes de conception et de fabrication de nanofibres. Handb. nanofibres 1, 1–46 (2018).

Google Scholar

Elnabawy, E. et al. Filage par soufflage de solution de tapis de nanofibres piézoélectriques pour la détection de signaux mécaniques et acoustiques. J. Appl. Polym. Sci. 138, 51322 (2021).

Article CAS Google Scholar

Gee, S., Johnson, B. & Smith, A. Optimisation des paramètres d'électrofilage pour les membranes de nanofibres PVDF piézoélectriques. J. Membre. Sci. 563, 804–812 (2018).

Article CAS Google Scholar

Shehata, N. et al. Nanofibres électrofilées poly (fluorure de vinylidène) piézoélectriques à alignement statique/membrane composite MWCNT : méthode Facile. Polymères 10, 965 (2018).

Article PubMed Central CAS Google Scholar

Choi, M. et al. Caractérisation mécanique et électrique de la structure hybride PVDF-ZnO pour application au nanogénérateur. Nano Énergie 33, 462–468 (2017).

Article CAS Google Scholar

Mahanty, B. et al. Nanogénérateur piézoélectrique tout fibre amplifié par contrainte confinée aux nanoparticules de ZnO pour la surveillance autonome des soins de santé. Soutenir. Combustibles énergétiques 5, 4389–4400 (2021).

Article CAS Google Scholar

Park, J., Kim, M., Lee, Y., Lee, HS & Ko, H. Les peaux ferroélectriques microstructurées inspirées de la peau du bout des doigts discriminent les stimuli de pression et de température statiques/dynamiques. Sci. Adv. 1, e1500661 (2015).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sharma, T., Aroom, K., Naik, S., Gill, B. et Zhang, JX Capteur de pression flexible à base de PVDF-TrFE à couche mince pour les applications de cathéters intelligents. Ann. Biomédical. Ing. 41, 744–751 (2013).

Article PubMed Google Scholar

Aurilia, M., Piscitelli, F., Sorrentino, L., Lavorgna, M. & Iannace, S. Analyse détaillée des propriétés mécaniques dynamiques du nanocomposite TPU : Le rôle des interfaces. EUR. Polymer J. 47, 925–936 (2011).

Article CAS Google Scholar

Lin, M.-F., Xiong, J., Wang, J., Parida, K. & Lee, PS Tapis de nanofibres Core-shell pour les applications de capteurs de pression tactiles et de nanogénérateurs. Nanoénergie 44, 248-255 (2018).

Article CAS Google Scholar

Roy, K. et al. Un capteur de pression portable auto-alimenté et un capteur respiratoire pyroélectrique basés sur des nanofibres PVDF interfacées GO. ACS Appl. Nano-matière. 2, 2013-2025 (2019).

Article CAS Google Scholar

Kweon, OY, Lee, SJ & Oh, JH Capteurs de pression haute performance portables basés sur des nanofibres conductrices tridimensionnelles électrofilées. NPG Asie Mater. 10, 540-551 (2018).

Article CAS Google Scholar

Lee, J. et al. Un capteur de contrainte extensible basé sur un film mince de nanoparticules métalliques pour la détection de mouvement humain. Nanoscale 6, 11932–11939 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Guo, H.-F. et coll. Échafaudages électrofilés PU/PVDF piézoélectriques pour les applications de cicatrisation. Colloïdes Surf., B 96, 29–36 (2012).

Article CAS Google Scholar

Elnabawy, E. et al. Membrane composite nanofibreuse PVDF/TPU piézoélastique : fabrication et caractérisation. Polymères 11, 1634 (2019).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Yang, W. et al. Membrane en nanofibres PVDF/TPU dopée GO/Bi2S3 aux performances photothermiques améliorées. Int. J. Mol. Sci. 21, 4224 (2020).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Dai, Z. et al. Amélioration du coefficient piézoélectrique de cisaillement induit par un élastomère de polyuréthane thermoplastique dans des films composites de titanate de bismuth et de PVDF. J. Appl. Polym. Sci. 138, 49818 (2021).

Article CAS Google Scholar

Mahato, P., Seal, A., Garain, S. & Sen, S. Effet de la technique de fabrication sur la phase cristalline et les propriétés électriques des films PVDF. Mater. Sci.-Pol. 33, 157-162 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Kaspar, P. et al. Caractérisation de fibres électrofilées de polyfluorure de vinylidène (PVDF) dopées par des flocons de carbone. Polymères 12, 2766 (2020).

Article CAS PubMed Central Google Scholar

Sengupta, D. et al. Caractérisation d'une nanofibre unique de fluorure de polyvinylidène (PVDF) pour des applications de détection de débit. AIP Adv. 7, 105205 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Gergeroglu, H. & Huseyin, A. Nanofibres composites fonctionnelles dérivées d'extrait naturel de Satureja hortensis. Anadolu Univ. J. Sci. Technol. A-Appl. Sci. Ing. 18, 908–918 (2017).

Google Scholar

Shaker, A., Hassanin, AH, Shaalan, N., Hassan, M. & Abd El-Moneim, A. Capteur à jauge de contrainte flexible à micro-motif basé sur du polyuréthane électrofilé humide/PEDOT : nanofibres PSS. Maître intelligent. Structure. 28, 075029 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Chen, R. et al. Filtres à air en polyuréthane thermoplastique transparent pour une capture électrostatique efficace des particules polluantes. Nanotechnologie 30, 015703 (2018).

Article ADS PubMed CAS Google Scholar

Tang, J., Wu, Y., Ma, S., Yan, T. & Pan, Z. Capteur de contrainte flexible basé sur un fil de nanofibre composite CNT/TPU pour un bandage sportif intelligent. Compos. Partie B Ing. 232, 109605 (2022).

Article CAS Google Scholar

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Le projet a été financé par la Fondation koweïtienne pour l'avancement des sciences sous le code de projet : PR20-15SP-01. Par ailleurs, les auteurs remercient ARKEMA pour la fourniture du polymère PVDF ; Kynar-761.

Collège des sciences et technologies du Koweït (KCST), 13133, Doha, Koweït

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

Centre des matériaux intelligents, de la nanotechnologie et de la photonique (CSMNP), Centre de recherche Smart CI, Université d'Alexandrie, Alexandrie, 21544, Égypte

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

Département d'ingénierie, de mathématiques et de physique, Faculté d'ingénierie, Université d'Alexandrie, Alexandrie, 21544, Égypte

Nader Shehata et Ishaq Kandas

USTAR Bioinnovations Center, Faculté des sciences, Utah State University, Logan, UT, 84341, États-Unis

Nader Shehata

Département de génie mécanique, Roberts Engineering Building, University College London (UCL), Londres, WC1E 7JW, Royaume-Uni

Rabab Boualayan

Centre de conception et de fabrication de micro-systèmes, Département de génie mécanique, Université Bilkent, Ankara, 06800, Turquie

Abdulrzak Masrani

Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux, École d'ingénierie de conception innovante, Université Égypte-Japon des sciences et technologies (E-JUST), New Borg El-Arab City, Alexandrie, Égypte

Ahmed H. Hassanin

Département d'ingénierie textile, Faculté d'ingénierie, Université d'Alexandrie, Alexandrie, 21544, Égypte

Ahmed H. Hassanin

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Le rôle de chaque auteur dans le manuscrit est présenté comme suit : Conceptualisation, par NS et AH Curation des données, par RB, RN, EE, NO et MG Analyse formelle, par tous les auteurs. Acquisition de financement, par NS Investigation, par NS, IK et AH Méthodologie, par RB, RN, AM Administration du projet, par NS Supervision, par NS, IK et AH Rédaction—ébauche originale, par RB et EE Rédaction—édition de révision, par tous les auteurs.

Correspondance à Nader Shehata.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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La version originale en ligne de cet article a été révisée : la version originale de cet article contenait une erreur dans l'orthographe de l'auteur Abdulrzak Masrani qui a été incorrectement donné comme Abdulrazak Masrani.

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Réimpressions et autorisations

Shehata, N., Nair, R., Boualayan, R. et al. Nanofibres extensibles de nanocomposite polyfluorure de vinylidène (PVDF)/polyuréthane thermoplastique (TPU) pour soutenir la réponse piézoélectrique via l'élasticité mécanique. Sci Rep 12, 8335 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11465-5

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Reçu : 10 décembre 2021

Accepté : 14 mars 2022

Publié: 18 mai 2022

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

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