Polimerowe folie kompozytowe o właściwościach piezoelektrycznych
Badania prowadzono w latach 2015 do 2020 w wyniku których, uzyskano patenty RP: 219473, 231393, 235140, 238754


ZESPÓŁ AUTORSKI:

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki

  • Bogusław Królikowski, Toruń, PL
  • Halina Kaczmarek, Toruń, PL
  • Ewa Klimiec, Kraków, PL

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Dzięki temu wynalazkowi można zbudować układy elektroniczne do pozyskiwania energii z chodzenia, siły wiatru, przepływu wody czy drgań różnego rodzaju urządzeń, np ruchu kół w samochodzie. Uzyskana energia elektryczna może zasilać układy elektroniczne małych mocy, które są w ciągłym rozwoju. Energię tę można gromadzić w superkondensatorach o bardzo dużej trwałości tj pół mln. cykli pracy. Można nią zasilać układy ostrzegawcze pracujące w standardzie Bluetooth. Przykładem może być detektor lawinowy wysyłający sygnał SOS, detektor ruchu dla osób starszych oceniających sprawność ruchową przez ilość wydzielonej energii w czasie chodzenia, urządzenia wysyłające sygnał SOS ze stref pracy w warunkach zagrażających życiu. Folie te mogą być stosowane w budownictwie rejestrując niebezpieczne drgania i przemieszczenia różnych konstrukcji a także jako czujniki zabezpieczające różne pomieszczenia, informując że ktoś po nich chodzi. Ponieważ są bardzo czułe mogą być stosowane w medycynie np. jako pulsometry. Nie są drogie w produkcji, są elastyczne, mogą przybierać różne kształty i różną wielkość powierzchni.

ISTOTA WYNALAZKU

Folię otrzymano w dwuetapowym procesie przetwórczym tj. mieszanie polimeru w postaci granulatu z wypełniaczem mineralnym w ilości 5 i 10%, stapianie i ponowne granulowanie. Do tego celu wykorzystano wytłaczarkę dwuślimakową współbieżną o bardzo dobrych właściwościach dyspersyjno – dystrybutywnych, które nadają jednolitość kompozycji tworzywo – napełniacz. Ten etap (etap 1.) wytwarzania folii przeznaczony jest do otrzymania powtarzalnego kompozytu w postaci granulatu, który poddawany jest dalszej obróbce, tj. wytłaczaniu folii typu cast (etap 2.). Wytłaczano wstęgę, którą jednoosiowo rozciągano na specjalnie do tego celu skonstruowanej maszynie. Stopień rozciągu wynosił 3:1. Przed rozciąganiem uzyskiwaniu folię o grubości ok. 100 µm.
Surowce z jakich wyprodukowano folie są polskiej produkcji, tanie i powszechnie dostępne na rynku. Po rozciąganiu (tj. orientacji jednoosiowej) uzyskiwano folie o grubości ok. 35 µm, o strukturze komórkowej, zawierającej jamy powietrza.
Następnym procesem była polaryzacja folii w dużym polu elektrycznym dzięki czemu została ona trwale spolaryzowana. Powietrze zawarte w pustych przestrzeniach pod wpływem dużego pola elektrycznego uległo jonizacji czyli rozpadowi na ładunki elektryczne dodatnie i ujemne, które zgromadziły się na przeciwległych ścianach jam. Tak wytworzona folia jest trwale spolaryzowana i wykazuje właściwości. Badania wykazały że jej parametry elektryczne nie uległy zmianie w ciągu trzech lat badań. Przypuszcza się że jej trwałość w czasie może być znacznie większa. Właściwości piezoelektryczne folii są oceniane za pomocą ładunkowego współczynnika piezoelektrycznego d33, co przedstawiono na rys. 2. Najwyższą wartość d33 uzyskano dla folii z polipropylenu izotaktycznego o dużej gęstości, rozciąganej jednoosiowo. Dla porównania na rys. 2 przedstawiono też wartość współczynnika dla powszechnie znanej piezoelektrycznej folii PVDF, której arkusz A4 kosztuje około 1400 zł. Dla wszystkich otrzymanych folii uzyskano większą wartość współczynników d33 niż dla folii referencyjnej PVDF.
Umieszczając folię pomiędzy elektrodami czyli warstwami metalu, folia staje się „samoładującym” kondensatorem, czyli pod wpływem jej odkształcenia, np. nacisku ładunki przemieszczają się w kierunku elektrod, wytwarza się różnica potencjałów i otrzymujemy sygnał elektryczny. Tak wytworzona folia nadaje się na różnego rodzaju czujniki nacisku co przedstawiono na rys 3 – 5. Jednym z takich rozwiązań jest umieszczenie folii pomiędzy nadrukowanymi na folii nośnej elektrodami srebrowymi i umieszczenie jej we wkładce do obuwia. W ten sposób pozyskuje się energię z chodzenia.
Niskie koszty produkcji, dostępność surowców, łatwość przetwarzania , niewielka waga, elastyczność i dobra wytrzymałość mechaniczna wytworzonych folii sprawia że mogą być one zastosowane do produkcji uniwersalnych czujników do powszechnego użytku o dowolnym kształcie i rozmiarze.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Opracowane i wytworzone folie piezoelektryczne powstają z surowców dostępnych na rynku. Ponieważ piezoelektryczna folia PVDF jest bardzo droga, trudno ją stosować na czujniki nacisku powszechnego zastosowania, zwłaszcza wielkopowierzchniowe.
Czujniki te można będzie stosować zarówno w medycynie jak i różnych dziedzinach przemysłu np. budownictwo, górnictwo, niebezpieczne obszary pracy jako detektory SOS.