مبدل انرژی هیبریدی تریبو-پیزوالکتریک از پارچه پشمی و لایه نانوالیاف PVDF/BaTiO3

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 استادیار، پژوهشکده مواد و فناوری های پیشرفته در نساجی، پردیس مواد و فرآیندهای پیشرفته، دانشگاه صنعتی امیرکیبر، تهران، ایران

چکیده

برداشت انرژی‌های هدر رفتنی با کمک مبدل‌های انرژی مکانیکی به الکتریکی با توجه به معضل جهانی انرژی، از جمله رویکردهای نوین در توسعه محصولات میکروالکترونیک مبتنی بر سازوکار پیزوالکتریک و تریبوالکتریک میباشد. در این مقاله ترکیب‌های مختلفی از مبدل‌های الیافی شامل نانوالیاف PVDF و نانوالیاف کامپوزیتی PVDF/BaTiO3 با لایه‌های پشمی با سه نوع بافت حلقوی پودی و الیاف پشم شانه‌شده، باتوجه به جایگاه مناسب ماده پشم و PVDF در گروه مواد تریبوالکتریک، در نظر گرفته‌ شد. میزان ولتاژ الکتریکی خروجی حاصل از تماس- جدایش تریبوالکتریک بر واحد سطح مبدل جهت ارزیابی خواص نمونه‌های تولید شده و مقایسه آنها با مبدل‌های تک‌لایه اندازه‌گیری شد. همچنین نحوه‌ی چیدمان بهینه لایه‌ها مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از بررسی‌ها نشان داد که بهترین چیدمان لایه‌ای تریبوالکتریک در یک نیروی مشخص با ساختار کمان‌شکل حاصل شده و مقدار بالاترین خروجی (V/cm2)35/4 قابل دسترس میباشد. در حالی که خروجی لایه‌ی پیزوالکتریکPVDF به‌تنهایی در بهترین لایه‌ی ترکیبی آزمایش‌‌شده در نمونه‌های تریبوالکتریک به‌مقدار(mV/cm2) 475/0 میباشد. بر اساس نتایج بدست آمده، ساخت مبدل‌ها به صورت هیبریدی با ساختار معرفی شده در این پژوهش می‌تواند در ازای اعمال نیروی یکسان، خروجی مبدل تریبوالکتریک را نسبت به لایه‌ی مبدل پیزوالکتریک PVDF/BaTiO3، بیش از 9000 برابر افزایش دهد. ساختار معرفی شده می تواند به عنوان گامی موثر در راستای توسعه مواد پیشرفته برای توسعه محصولات میکروالکترونیک خودشارژشونده و قابل پوشیده شدن مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


[1] Ji SH, Lee W, Yun JS. All-in-One Piezo-Triboelectric Energy Harvester Module Based on Piezoceramic Nanofibers for Wearable Devices. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020;12(16):18609-16.
[2] Kumar PS, Sundaramurthy J, Sundarrajan S, Babu VJ, Singh G, Allakhverdiev SI, et al. Hierarchical electrospun nanofibers for energy harvesting, production and environmental remediation. Energy & Environmental Science. 2014;7(10):3192-222.
[3] Harb A. Energy harvesting: State-of-the-art. Renewable Energy. 2011;36(10):2641-54.
[4] Sirohi J, Chopra I. Fundamental understanding of piezoelectric strain sensors. Journal of intelligent material systems and structures. 2000;11(4):246-57.
[5] Lee SG, Ha J-W, Sohn E-H, Park IJ, Lee S-BJASS. Enhancement of polar crystalline phase formation in transparent PVDF-CaF2 composite films. 2016;390:339-45.
[6] Karan SK, Mandal D, Khatua BBJN. Self-powered flexible Fe-doped RGO/PVDF nanocomposite: an excellent material for a piezoelectric energy harvester. 2015;7(24):10655-66.
[7] Cao X, Ma J, Shi X, Ren ZJASS. Effect of TiO2 nanoparticle size on the performance of PVDF membrane. 2006;253(4):2003-10.
[8] سمنانی رهبر را, کلانتری ب, محدث مجتهدی م. بررسی رفتار تبلور در الیاف نانو کامپوزیت پلی‌پروپیلن/نانو صفحات گرافن بخش اول- سینتیک تبلور همدما. مواد پیشرفته و پوشش های نوین. 2019;7(28):2022-35.
[9] Sharifisamani E, Mousazadegan F, Bagherzadeh R, Latifi M. PEG-PLA-PCL based electrospun yarns with curcumin control release property as suture. Polymer Engineering & Science. 2020;60(7):1520-9.
[10] نوری م, مختاری ج, اصلاح س, قربانپور ص. اصلاح سطحی الیاف ابریشم توسط نانو لوله‌های کربنی فعال شده. مواد پیشرفته و پوشش های نوین. 2018;7(25):1763-72.
[11] Azmi S, Hosseini Varkiani S-M, Latifi M, Bagherzadeh R. Tuning energy harvesting devices with different layout angles to robust the mechanical-to-electrical energy conversion performance. Journal of Industrial Textiles.0(0):1528083720928822.
[12] Saveh-Shemshaki N, Bagherzadeh R, Latifi M. Electrospun metal oxide nanofibrous mat as a transparent conductive layer. Organic Electronics. 2019;70:131-9.
[13] Sorayani Bafqi MS, Latifi M, Sadeghi A-H, Bagherzadeh R. Expected lifetime of fibrous nanogenerator exposed to cyclic compressive pressure. Journal of Industrial Textiles.0(0):1528083720915835.
[14] Sorayani Bafqi MS, Bagherzadeh R, Latifi M. Nanofiber alignment tuning: An engineering design tool in fabricating wearable power harvesting devices. Journal of Industrial Textiles. 2017;47(4):535-50.
[15] Guan X, Chen H, Xia H, Fu Y, Yao J, Ni Q-Q. Flexible energy harvester based on aligned PZT/SMPU nanofibers and shape memory effect for curved sensors. Composites Part B: Engineering. 2020;197:108169.
[16] Queraltó A, Frohnhoven R, Mathur S, Gómez A. Intrinsic piezoelectric characterization of BiFeO3 nanofibers and its implications for energy harvesting. Applied Surface Science. 2020;509:144760.
[17] Gul H, Fasihullah K, Arshad H, Shawkat A, Jinho B, Chong Hyun L. A flat-panel-shaped hybrid piezo/triboelectric nanogenerator for ambient energy harvesting. Nanotechnology. 2017;28(17):175402.
[18] Ejaz M, Puli VS, Elupula R, Adireddy S, Riggs BC, Chrisey DB, et al. Core-shell structured poly(glycidyl methacrylate)/BaTiO3 nanocomposites prepared by surface-initiated atom transfer radical polymerization: A novel material for high energy density dielectric storage. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2015;53(6):719-28.
[19] Kashfi M, Fakhri P, Amini B, Yavari N, Rashidi B, Kong L, et al. A novel approach to determining piezoelectric properties of nanogenerators based on PVDF nanofibers using iterative finite element simulation for walking energy harvesting. Journal of Industrial Textiles.0(0):1528083720926493.
[20] Singh HH, Khare N. Flexible ZnO-PVDF/PTFE Based Piezo-Tribo Hybrid Nanogenerator. Nano Energy. 2018.
[21] Bafqi MSS, Bagherzadeh R, Latifi M. Fabrication of composite PVDF-ZnO nanofiber mats by electrospinning for energy scavenging application with enhanced efficiency. Journal of Polymer Research. 2015;22(7):130.
[22] Tiwari S, Gaur A, Kumar C, Maiti P. Electrospun hybrid nanofibers of poly(vinylidene fluoride) and functionalized graphene oxide as a piezoelectric energy harvester. Sustainable Energy & Fuels. 2020;4(5):2469-79.
[23] Abolhasani MM, Naebe M, Hassanpour Amiri M, Shirvanimoghaddam K, Anwar S, Michels JJ, et al. Hierarchically Structured Porous Piezoelectric Polymer Nanofibers for Energy Harvesting. Advanced Science. 2020;7(13):2000517.
[24] Akgun M. Surface roughness properties of wool woven fabrics after abrasion. The Journal of The Textile Institute. 2016;107(8):1056-67.
[25] Sabry RS, Hussein AD. PVDF: ZnO/BaTiO3 as high out-put piezoelectric nanogenerator. Polymer Testing. 2019;79:106001.
[26] Mendes SF, Costa CM, Caparros C, Sencadas V, Lanceros-Méndez S. Effect of filler size and concentration on the structure and properties of poly(vinylidene fluoride)/BaTiO 3 nanocomposites. Journal of Materials Science. 2012;47(3):1378-88.