تنظیم عملگری نانوالیاف پیزوالکتریک پلی(وینیلیدن فلوئورید)/کلویزیت 30B

نوع مقاله : پژوهشی

نویسنده

دزفول، دانشگاه صنعتی جندی شاپور دزفول، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 18674-64616

10.22063/jipst.2026.35826.2441

چکیده

فرضیه: محرک‌های پیزوالکتریک که می‌توانند انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند، در سامانه‌های رباتیک، ابزارهای پزشکی، ماهیچه‌های مصنوعی و دستگاه‌های الکترونیکی مورد توجه قرار گرفته‌اند. مهندسی نانوساختار با اثر هم‌افزایی ایجاد محدودیت هندسی، آرایش‌یافتگی زنجیرهای پلیمری و افزودن کنترل‌شده نانوذرات می‌تواند خواص پیزوالکتریک و عملکرد محرک را به‌طور شایان توجهی افزایش ‌دهد.
روش‌ها: نانوالیاف پلی(‌وینیلیدن فلوئورید) (PVDF) با آرایش ترجیحی دارای کلویزیت 30B با روش الکتروریسی روی استوانه با قاب سیمی تهیه شدند. از میکروسکوپ الکترونی پویشی گسیل میدانی (FE-SEM) برای مشاهده شکل‌شناسی نانوالیاف استفاده شد. میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM) پراکندگی نانوذرات کلویزیت  30Bرا در داخل نانوالیاف تأیید کرد. به‌کمک طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) ساختار بلوری نانوالیاف بررسی شد. خواص مکانیکی با استفاده از تجزیه گرمایی مکانیکی دینامیکی (DMTA) مشاهده شد. در نهایت، از نانوالیاف به‌عنوان تیر تک‌لایه برای ارزیابی عملکرد پیزوالکتریک استفاده شد.
یافته‌ها: اثر هم‌افزایی آرایش ترجیحی نانوالیاف، کاهش قطر الیاف و وجود نانوذرات کلویزیت 30B به مهندسی فاز بلوری قطبی β در PVDF منجر شد. نانوالیاف آرایش‌یافته PVDF -کلویزیت 30B با شکل‌شناسی یکنواخت، قطر متوسط کمتر از 100nm و کسر فاز β حدود %88 تهیه شدند. برهم‌کنش‌های بین‌سطحی زنجیر پلیمری-نانوذرات خاک رس، مسئول افزایش %84 در مدول کشسانی نانوالیاف آرایش‌یافته PVDF هستند. پیش از این، محدودیت هندسی (آرایش ترجیحی و کاهش قطر الیاف) باعث افزایش %63 در مدول کشسانی نانوالیاف اتفاقی PVDF شده بود. نانوالیاف الکتروریسی‌شده در نقش تیر یک‌سرگیردار، از خود بیشینه خمش پیزوالکتریک 11.2μmV را در پاسخ به میدان الکتریکی 2μm  نشان دادند که پاسخی رقابتی در مقایسه با آخرین کارهای منتشرشده در این زمینه با بررسی ادبیات پژوهش است. نتایج نشان می‌دهد، نانوالیاف PVDF-کلویزیت 30B، گزینه امیدوارکننده‌ای برای محرک‌های پیزوالکتریک سبک، انعطاف‌پذیر با ابعاد نانومتری در ساختارهای چندکاربردی ​​نسل بعدی هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Tuning the Actuation Performance of Polyvinylidene Fluoride/Cloisite 30B Piezoelectric Nanofibers

نویسنده [English]

  • sobhan sharafkhani
Department of Chemical Engineering, Jundi-Shapur University of Technology, Dezful, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Piezoelectric actuators, which can convert electrical energy into mechanical energy, have gained great interest in soft robotic systems, medical instruments, artificial muscles, electronic devices, etc. Nanostructure tailoring via the cooperative effects of creating geometrical confinement, chain orientation, and nanoparticle addition can remarkably enhance piezoelectric properties and actuation performance.
Methods: Preferably oriented polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofibers containing a low amount of Cloisite 30B were introduced by electrospinning on a wire-framed rotating drum. The field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) has been used to observe the morphology and diameter distribution of the nanofibers. Transmission electron microscope (TEM) confirmed dispersion of Cloisite 30B nanoparticles inside the nanofibers. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) observed the crystalline structure of the nanofibers. The mechanical properties were measured using dynamic mechanical thermal analysis (DMTA). Finally, nanofibers were used as the unimorphous cantilever beam to evaluate the piezoelectric performance.
Findings: The synergistic effects of preferential alignment, reduced fiber diameter, and Cloisite 30B platelets caused the tailoring of the polar β crystalline phase in PVDF. The well-oriented PVDF/Cloisite 30B nanofibers exhibited a smooth morphology with an average diameter beneath 100 nm and a β-phase fraction of ~88%. The probable polymer chain-clay platelet interfacial interactions are responsible for a ~84% increase in the elastic modulus of the oriented PVDF nanofibers. Previously, the geometrical constraint (preferential orientation and fiber diameter reduction) had led to a 63% increase in the elastic modulus of pristine and random PVDF nanofibers. The electrospun nanofibers showed the maximum piezoelectric deflection of 11.2 μm in response to the electric field of 2 V/μm when used as a unimorphous cantilever beam, which is higher or comparable to the previously published data in literature. These results indicate that the produced PVDF/Cloisite 30B nanofibers are promising candidates for lightweight, flexible, and nano-dimensional piezoelectric actuators in next-generation multifunctional structures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • oriented nanofibers
  • β-phase
  • piezoelectric actuator
  • PVDF
  • Cloisite 30B