FIBRAS PIEZORESISTIVAS ELECTROHILADAS PARA SENSORES DE DEFORMACIÓN ELÁSTICA
F. Molinari1, M. I. Mass2, L. N. Monsalve2,3 1INTI Textiles, 2INTI Micro y Nanoelectrónica del Bicentenario, 3Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Técnicas fabricio@inti.gob.ar
Introducción
El estudio de las propiedades de los composites funcionales como las propiedades mecánicas y eléctricas es de suma importancia. Gracias al aumento en su superficie especifica, la fabricación de composites funcionales en forma de fibra permite conseguir dispositivos más sensibles y más livianos. Estos dispositivos son flexibles y fácilmente integrables en etiquetas o tejidos. Existen antecedentes en la fabricación de sensores de deformación elástica por electrospinning[1], pero ninguno sensible para deformaciones menores a 10%. En el presente trabajo se propone utilizar técnicas aditivas tales como electrospinning e inkjet para bajar el límite de detección.
Objetivo
Preparación de fibras funcionales y estudio de sus propiedades eléctricas y mecanicas. Fabricación de un sensor de deformación elástica sobre un sustrato flexible combinando la técnica de electrospinning y la impresión ink-jet.
Descripción
Se prepararon soluciones al 22% de policaprolactona (PCL) en dispersiones con cantidades variables de nanotubos de carbono (NTC) y polivinilpirrolidona como surfactante empleando dimetilformamida como dispersante. Se imprimieron electrodos interdigitados de plata de 300 micrones de ancho de canal sobre sustratos de poliuretano termoplástico por impresión inkjet con un W/L de 1467. Para fabricar el sensor se depositaron las fibras de policaprolactona con un contenido del 3% respecto al polímero sobre los electrodos. Con el fin de obtener fibras alineadas se utilizó un colector rotatorio a 1000 RPM. La morfología de las fibras se analizó por microscopía electrónica de barrido (SEM). Se midió la resistencia eléctrica de las fibras con diferente carga de nanotubos decarbono depositadas sobre elctrodos interdigitados para determinar el umbral de percolación
Las propiedades mecánicas fueron evaluadas a través del ensayo de tracción a la rotura de probetas elaboradas cortando un depósito de
fibras empleando una máquina de ensayo universal Instron. Para evaluar la performance del sensor se utilizo un medidor/registrador de resistencia eléctrica aplicando pulsos de deformación con la máquina de ensayos universal.
Resultados
En las imagenes SEM muestran fibras paralelas (Figura 1) y a su vez permiten analizar la distribución de los nanotubos dentro de las fibras. Los nanotubos están distribuidos de forma regular y alineados con las fibras (Figura 2).
Figura 1. Fibras de paralelas de PCL/NTC al 3% en masa.
Figura 2. Disposición de los nanotubos de carbono dentro de la fibra. Se observa una alineación de los mismos a lo largo de la fibra.
El análisis de propiedades electricas revela dos zonas de percolación. La resistencia superficial baja dos órdenes de magnitud con una carga de 0.5% de NTCs mientras que para una carga de
2.2% se observa una caida de 6 ordenes de magnitud en la resistencia con respecto a 1,5% (Figura 3).
1017
1016
1015
Sheet Resistance (Ohm/sq)
1014
1013
1012
1011
1010
109
108
107
106
105
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
mwcnt content (% wt.)
Figura 3. Evaluación de la resistencia eléctrica en
función del contenido de NTC.
El análisis mecánico comparativo de las fibras de PCL sin NTC y de las fibras con 3% de NTC (tabla 1). Las últimas muestran un mayor modulo de Young (E), una mayor tensión de fluencia (S) y una mayor deformación al momento de la ruptura (εmax).
Tabla 1. Valores del modulo de young, tensión de fluencia y deformación máxima para fibras de policaprolactona con y sin nanotubos.
Estos resultados muestran que los NTC dispersos en la PCL actúan como refuerzo mecánico. Las fibras compuestas toleran un esfuerzo mayor y son más rígidas que las de PCL. El análisis de la performance del sensor muestra una señal identificable a deformaciones menores a 1.5%. El sensor responde instantáneamente y recupera su resistencia inicial rápidamente. El sensor puede ser reutilizado sin perjuicio de su performance para deformaciones hasta 5%. Además, la respuesta del mismo es diferencial para diferentes grados de deformación, por lo que la misma puede ser cuantificada a partir de medidas de resistencia eléctrica.
Figura 4. Variación de la resistencia en función del tiempo al aplicar esfuerzos de tensión con una deformación de 1,5% 2,5% y 5%. El ancho de pulso de deformación fue de 1 s.
Conclusiones
Se consiguió fabricar y caracterizar un composite conductor de PCL/NTC por electrospinning. Se evaluaron las propiedades morfológicas mecánicas y eléctricas del mismo. El estudio de la morfología, de las propiedades eléctricas y mecánicas determinó que los NTC se encuentran orientados y bien dispersos en la matriz. Esta distribución favorece la conducción eléctrica y funciona como refuerzo mecánico del polímero. Se logró fabricar un sensor de deformación elástico utilizando técnicas aditivas con buena respuesta a bajas deformaciones. Se está profundizando el estudio del sistema para reducir sus dimensiones e integrar el comparador en un sustrato flexible. Asimismo se propone optimizar la respuesta del sensor para ampliar el rango de aplicación.
Bibliografía
[1] Mingwei Tian. Electromechanical deformation sensors based on polyurethane/polyaniline electrospinning nanofibrous mats. Synthetic Metals Volume 219, September 2016, Pages 11–19. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2016.05.005
Ver+/-
