Desarrollo de un polímero piezoeléctrico para generación de electricidad en neumáticos

RESUMEN El efecto piezoeléctrico (del griego antiguo "piezein": presionar) describe la propiedad de determinados sólidos para generar una carga eléctrica bajo tensión mecánica. Los materiales piezoeléctricos pueden convertir la tensión mecánica en electricidad, y la electricidad en vibraciones mecánicas. El polifluoruro de vinilideno (PVDF) es un claro ejemplo de estos materiales. A nivel mundial, se está investigando cada vez más la realización de mezclas y compuestos que combinen las propiedades de interés de dos o más materiales poliméricos con el fin de obtener materiales con propiedades adecuadas para aplicaciones específicas. El interés por estos materiales se debe a su versatilidad y posibles aplicaciones técnicas. En el presente trabajo se llevaron a cabo varios experimentos. El primero de estos experimentos se llevó a cabo con el objetivo de estudiar a detalle los compuestos poliméricos hechos a partir de polifluoruro de vinilideno (PVDF) y polimetilmetacrilato (PMMA) en diferentes concentraciones. Éste experimento hace uso de los polímeros PVDF y PMMA, que son de fácil manejo y solubles en diferentes solventes. Se hizo la mezcla de estos polímeros en 7 muestras con variaciones de 0 a 100% en masa. Los otros cuatro experimentos consisten en el estudio de la incorporación de Nanotubos de Carbón de Pared Múltiple (MWCNT) en la mezcla base, mediante el uso de diferentes técnicas de preparación/funcionalización. Se realizaron películas de los cinco experimentos para realizar diferentes estudios y así poder conocer a detalle sus propiedades y características. El motivo de la investigación es conocer las propiedades combinadas del material piezoeléctrico (PVDF), con materiales con buenas propiedades mecánicas (PMMA y MWCNT) y económicas (PMMA) en diferentes proporciones para determinar la concentración más adecuada para proyectos de generación de energía con el movimiento de neumáticos. Se formaron películas poliméricas por la técnica spin-coating y goteo. Se realizó la caracterización fisicoquímica de los materiales con diferentes técnicas: UV-Vis (espectroscopía ultravioleta visible), FTIR (Espectroscopía Infrarroja), FESEM (Microscopio electrónico de barrido de emisión de campo), SEM/EDS (Microscopio Electrónico de Barrido VI con Microanálisis de Rayos X), TGA (análisis termogravimétrico), XRD (Difracción de Rayo X), y respuesta eléctrica. Por último, los materiales se probaron en el Equipo de Pruebas 3 (EP3) con su software ARDEP3 (Adquisición y Registro de Datos del Equipo de Pruebas 3), ambos desarrollados en el presente proyecto. Tomando en cuenta las características, datos técnicos y los resultados de estas pruebas se obtuvieron, entre otros factores, la conductividad de las muestras, el voltaje generado y su coeficiente piezoeléctrico. En el experimento base (E0) se concluye que la mezcla de estos polímeros con diferentes características tiene como resultado notables mejoras por su bajo costo y su efectividad como medio para generar energía a través de la deformación. En base a estos resultados, las muestras con 50 y 70% de PVDF mostraron los mejores resultados y por tanto fueron elegidas para la realización del segundo y tercer experimento. En el segundo experimento (E1) se agregan nanotubos de carbón de pared múltiple (MWCNT) y se consideró otra forma de preparación de muestras. El tercer experimento (E2) consiste en la utilización de los MWCNT, además de un aditivo, el diyodometano (DIM). En ambos podemos ver lecturas similares a E0 pero con algunos comportamientos opuestos entre ellos, así como la formación de fase β. Los experimentos restantes consisten en la funcionalización de los MWCNT con otro polímero. Su preparación se divide en dos partes, en la primera se funcionalizan los MWCNT y en la segunda se lleva a cabo la mezcla con el PVDF. La funcionalización tiene el objetivo de lograr una mejor dispersión de los nanotubos en PVDF. En el cuarto experimento (E3) la funcionalización se llevó a cabo con un tensoactivo no iónico, llamado polivinilpirrolidona (PVP). En el quinto y último experimento (E4) la funcionalización se realiza con PMMA. En estos se nota una mejor dispersión de los MWCNT y en algunos casos el incremento de la fase β en el PVDF.

ABSTRACT The piezoelectric effect (from the ancient greek "piezein": press) describes the property of certain solids to generate an electrical charge under mechanical stress. Piezoelectric materials can convert mechanical stress into electricity, and electricity into mechanical vibrations. The polyvinylidene fluoride (PVDF) is a clear example of these materials. Worldwide, there is increasing research into the realization of mixtures and compounds that combine the properties of interest of two or more polymeric materials in order to obtain materials with suitable properties for specific applications. Interest in these materials is due to their versatility and possible technical applications. In the present work, several experiments were carried out. The first of these experiments was carried out with the objective of studying in detail the polymeric compounds made from polyvinylidene fluoride (PVDF) and polymethylmethacrylate (PMMA) in different concentrations. Based on the results of the first experiment. This experiment makes use of PVDF and PMMA polymers, which are easy to handle and soluble in different solvents. These polymers were mixed in 7 samples with variations from 0 to 100% by mass. The other four experiments consist of the study of the incorporation of Multiple Wall Carbon Nanotubes (MWCNT) in the base mixture, using of different preparation / functionalization techniques. Films of the five experiments were made to carry out different studies and thus be able to know in detail their properties and characteristics. The reason for the research is to know the combined properties of the piezoelectric material (PVDF), with materials with good mechanical properties (PMMA and MWCNT) and economic (PMMA) in different proportions to determine the most appropriate concentration for power generation projects with the tire movement. Polymeric films were formed by the spin-coating and dripping technique. The physicochemical characterization of the materials was carried out with different techniques: UV-Vis (ultraviolet visible spectroscopy), FTIR (Infrared Spectroscopy), FESEM (Field emission scanning electron microscope), SEM / EDS (Scanning Electron Microscope with Microanalysis of X-ray), TGA (thermogravimetric analysis), XRD (X-ray diffraction), and electrical response. VIII Finally, the materials were tested in Test Equipment 3 (EP3) with its ARDEP3 software (Data Acquisition and Recording of Test Equipment 3), both developed in this project. Considering the characteristics, technical data and the results of these tests, the conductivity of the samples, the generated voltage and its piezoelectric coefficient were obtained, among other factors. In the base experiment (E0), it is concluded that the mixture of these polymers with different characteristics results in notable improvements due to their low cost and their effectiveness to generate energy through deformation. Based on these results, the samples with 50 and 70% PVDF showed the best results and were therefore chosen to carry out the second and third experiments. In the second experiment (E1), multiple-walled carbon nanotubes (MWCNT) were added and another way of sample preparation was considered. The third experiment (E2) consists of the use of MWCNT, in addition to an additive, diiodomethane (DIM). In both we can see readings similar to E0 but with some opposite behaviors between them, as well as the formation of the β phase. The remaining experiments consist of the functionalization of the MWCNTs with another polymer. Its preparation is divided into two parts, in the first, the MWCNTs are functionalized and in the second, the mixture with PVDF is carried out. The functionalization has the objective of achieving a better dispersion of the nanotubes in PVDF. In the fourth experiment (E3) the functionalization was carried out with a non-ionic surfactant, called polyvinylpyrrolidone (PVP). In the fifth and last experiment (E4) the functionalization is carried out with PMMA. In these, a better dispersion of the MWCNT is noted and in some cases the increase of the β phase in the PVDF.