Elemento polimérico piezoeléctrico y método y aparato para su producción.

Método para formar un elemento polimérico piezoeléctrico (12), que tiene los pasos de extrudir un material polimérico y al mismo tiempo polarizar una zona del material extrudido, caracterizado porque la zona se estira a través de uno o más rodillos calientes

(7, 8) antes de la polarización.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2011/051734.

Solicitante: University of Bolton.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: Deane Road Bolton, Lancashire BL3 5AB REINO UNIDO.

Inventor/es: HADIMANI,MAGUNDAPPA L, SIORES,ELIAS, VATANSEVER,DERMAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > CONFORMACION O UNION DE LAS MATERIAS PLASTICAS; CONFORMACION... > B29C47/00 (Moldeo por extrusión, es decir, oprimiendo la materia a moldear a través de una matriz o boquilla que le da la forma deseada; Aparatos a este efecto (moldeo por extrusión-soplado B29C 49/04; prensas de extrusión en general B30B 11/22))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos piezoeléctricos en general; Dispositivos... > H01L41/18 (para los elementos piezoeléctricos o electroestrictivos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos piezoeléctricos en general; Dispositivos... > H01L41/193 (Composiciones macromoleculares)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos piezoeléctricos en general; Dispositivos... > H01L41/45 (Materiales orgánicos)

PDF original: ES-2529251_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Elemento polimérico piezoeléctrico y método y aparato para su producción.

Campo técnico de la invención La presente invención se refiere a elementos poliméricos piezoeléctricos tales como fibras o películas. La invención también se refiere a métodos para formar elementos poliméricos piezoeléctricos y a aparatos para formar elementos 5 poliméricos piezoeléctricos. La invención se refiere además a productos piezoeléctricos que comprenden capas conductoras y fibras poliméricas piezoeléctricas y a sistemas de transformación de energía que incorporan dichos productos piezoeléctricos.

Antecedentes de la invención Los materiales piezoeléctricos han sido ampliamente utilizados en diversas aplicaciones. Ya se han hecho diversos 10 intentos de uso de los mismos en el campo de la generación de energía, utilizando materiales piezoeléctricos cerámicos con un éxito mínimo. Desde el descubrimiento de la piezoelectricidad en los polímeros en 1969, se ha informado de diversos estudios basados en aplicaciones. Actualmente son bien conocidos polímeros candidatos para materiales piezoeléctricos que tienen un coeficiente de desplazamiento de cargas, d33, de aproximadamente 35 pC/N. Los polímeros y mezclas poliméricas son fáciles de extrudir por fusión formando películas delgadas o fibras. Tienen una 15 temperatura de fusión relativamente baja (por ejemplo, el fluoruro de polivinilideno (PVDF) se funde a aproximadamente 175º C) , lo que hace que sean más fáciles de procesar que las cerámicas. La capacidad de los polímeros flexibles para mostrar un comportamiento altamente piezoeléctrico, junto con nuestra necesidad creciente de energía renovable, hace que la generación de energía eléctrica mediante el uso de materiales piezoeléctricos sea ahora una opción atractiva.

Un trabajo previo sobre polímeros como materiales piezoeléctricos ha informado de desarrollos en muestras de película 20 delgada o a granel. Las fibras poliméricas pueden tener diversas aplicaciones potenciales, como sensores, accionadores y dispositivos de recuperación de energía. Cuando las fibras se utilizan en forma de estructuras bidimensionales, como en textiles, o unidimensionales, como cables, el potencial para una nueva aplicación de recuperación de energía es enorme. Las posibles aplicaciones textiles de recuperación de energía pueden incluir estructuras para recoger energía mecánica del viento, la lluvia, las mareas y las olas para la generación de energía 25 eléctrica.

Un trabajo previo ha incluido una prueba de concepto para una técnica de recogida de energía que utiliza un material compuesto de macrofibras (MFC) . El MFC utilizado en este trabajo era un material compuesto de fibras piezoeléctricas de titanato-circonato de plomo (PZT) . Dado que las fibras de PZT no son flexibles, es necesario prepararlas como materiales compuestos para su uso como materiales piezoeléctricos de recuperación de energía. Por otro lado, las 30 fibras poliméricas son flexibles y pueden emplearse para producir materiales compuestos y estructuras compuestas bidimensionales y tridimensionales. Por tanto, pueden utilizarse en aplicaciones más amplias, en especial si se pueden producir con mayor rentabilidad que las cerámicas piezoeléctricas. Un trabajo previo ha incluido un proceso complejo multi-etapa para la preparación de una fibra copolimérica piezoeléctrica en un producto multicapa. Sin embargo, el método de fabricación es complejo y requiere muchas etapas de procesamiento que no son fáciles de combinar en un 35 proceso de producción continua racionalizado.

En el documento GB 2 123 602 A se describe un método y un aparato para extrudir y polarizar un transductor polimérico piezoeléctrico.

Así, un objetivo de las realizaciones de la presente invención es proporcionar un elemento polimérico piezoeléctrico mejorado, como una fibra o película, que presente una estructura simple. Otro objetivo de las realizaciones de la 40 presente invención es proporcionar un método mejorado para producir un elemento polimérico piezoeléctrico de tal tipo mediante un proceso en continuo. Otro objetivo de las realizaciones de la presente invención es proporcionar aparatos para producir un elemento polimérico piezoeléctrico utilizando dicho método mejorado. Otros objetivos de las realizaciones de la invención son proporcionar un producto piezoeléctrico que comprenda un elemento polimérico piezoeléctrico mejorado del tipo indicado para transformar energía mecánica en energía eléctrica y proporcionar un 45 sistema de transformación de energía que incluya dicho producto piezoeléctrico.

Sumario de la invención De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para formar un elemento polimérico piezoeléctrico que incluye los pasos de extrudir un material polimérico y al mismo tiempo polarizar una zona del material extrudido, siendo estirada dicha zona mediante uno o más rodillos calientes antes de la polarización. 50

Esto puede ofrecer un proceso de formación conveniente, ya que la extrusión y la polarización se llevan a cabo al mismo tiempo.

Preferentemente, el elemento es una fibra. Alternativamente, el elemento es una película.

El elemento se extrude preferentemente a partir de una alimentaciónde gránulos poliméricos. Los gránulos pueden comprender fluoruro de polivinilideno, polipropileno o polietileno. Los gránulos pueden comprender un polímero con partículas cerámicas piezoeléctricas dispersas. Las partículas cerámicas piezoeléctricas pueden ser PZT o PMT-PT.

Preferentemente, el elemento se extrude en una extrusora de fusión. La extrusora de fusión puede mantener el polímero a una primera temperatura por encima de su punto de fusión en un tornillo de alimentación y puede mantener el 5 polímero a una segunda temperatura, más alta, en una boquilla de extrusión. En una realización preferente, la primera temperatura puede ser 20 grados superior al punto de fusión y la segunda temperatura puede ser 30 grados superior al punto de fusión.

El elemento extrudido se puede enfriar mediante un ventilador. La zona se puede estirar mediante uno o más rodillos enfriados antes de la polarización. 10

La zona se puede calentar preferiblemente a una temperatura superior a su temperatura de transición vítrea e inferior a su temperatura de fusión. La zona se puede calentar a una temperatura entre 60 y 90 grados C. De forma especialmente preferente, la zona se puede calentar esencialmente a 70 grados C.

La zona se estira preferentemente bajo una tensión que sobrepasa su tensión de fluencia para extender plásticamente dicha zona antes de la polarización. La zona se puede extender plásticamente hasta alcanzar una proporción de 15 extensión de al menos 2:1. De forma especialmente preferente, la proporción de extensión puede ser de al menos 3:1. De forma especialmente preferente, la proporción de extensión puede ser de al menos 4:1. De forma especialmente preferente, la proporción de extensión es esencialmente igual a 4:1. Ventajosamente, la zona se puede extender hasta alcanzar antes de la polarización un espesor de un cuarto de su espesor original inmediatamente después de la extrusión. 20

La polarización comprende aplicar un campo eléctrico a través de dicha zona. Preferentemente, el campo eléctrico puede oscilar entre 0, 5 MV/m y 1, 5 MV/m. De forma especialmente preferente, el campo eléctrico puede oscilar entre 1, 0 MV/m y 1, 3 MV/m. En una realización, el campo eléctrico puede ser esencialmente igual a 1 MV/m.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para formar un elemento polimérico piezoeléctrico, que incluye una extrusora para extrudir dicho elemento... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método para formar un elemento polimérico piezoeléctrico (12) , que tiene los pasos de extrudir un material polimérico y al mismo tiempo polarizar una zona del material extrudido, caracterizado porque la zona se estira a través de uno o más rodillos calientes (7, 8) antes de la polarización.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento es una fibra o una película. 5

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento se extrude a partir de una alimentación de gránulos poliméricos.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque los gránulos comprenden un polímero con partículas cerámicas piezoeléctricas dispersas.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona se calienta a una 10 temperatura entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión del polímero, o entre 60 y 90 grados C.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona se estira bajo una tensión que sobrepasa su tensión de fluencia para extender plásticamente dicha zona antes de la polarización con una proporción de extensión de al menos 2:1. 15

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye el paso de transportar la zona entre un par de electrodos (9, 10) .

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la polarización comprende la aplicación de un campo eléctrico entre 0, 5 MV/m y 1, 5 MV/m a través de dicha zona.

9. Elemento polimérico piezoeléctrico (12) formado de acuerdo con el método de cualquiera de las 20 reivindicaciones anteriores, que comprende un polímero piezoeléctrico con partículas cerámicas piezoeléctricas dispersas y que presenta una sección transversal maciza y una composición esencialmente homogénea a lo largo de toda esta sección transversal.

10. Producto piezoeléctrico que comprende uno o más elementos poliméricos piezoeléctricos (12) según la reivindicación 9 interpuestos entre dos capas conductoras (13, 14) . 25

11. Sistema para transformar energía mecánica en energía eléctrica, que comprende un producto piezoeléctrico según la reivindicación 10 donde cada una de las dos capas conductoras está conectada con un terminal respectivo de un circuito rectificador (15) .

12. Aparato para formar un elemento polimérico piezoeléctrico, comprendiendo el aparato una extrusora (2) para extrudir dicho elemento polimérico a partir de una alimentación granular (1) y un par de electrodos (9, 10) para 30 aplicar un campo eléctrico a través de una zona de dicho elemento simultáneamente con la extrusión del elemento, caracterizado porque el aparato incluye uno o más rodillos calientes (7, 8) situados delante del par de electrodos.

13. Aparato según la reivindicación 12, caracterizado porque los rodillos calientes se pueden mantener a una temperatura entre la temperatura de transición vítrea y el punto de fusión de la alimentación granular, o entre 35 60 y 90 grados C.

14. Aparato según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque los electrodos permiten aplicar a dicha zona un campo eléctrico de entre 0, 5 MV/m y 1, 5 MV/m.