Electroactivity of PVDF electrospun fiber mats and ZnO/PVDF composites

Abstract

Anahtar Kelimeler: PVDF, Elektrodokuma, Çinko Oksit, Piezoelektrik Kompozit,Elektromekanik KarakterizasyonElektroaktif bir polimer olan Poli(viniliden florit) (PVDF), elektroseramikmalzemelerin mekanik özellikleriyle karşılaştırıldığında önemli üstünlüklere sahiptir.Ancak, bu malzemenin -film olarak üretilir üretilmez- piezoelektrik özelliğindenyararlanılamamakta, mekanik esnetme ve kutuplama gibi ilave işlemlerin tatbikineihtiyaç duyulmaktadır. Bu tezde, elektrodokuma yöntemiyle belirli üretim değişkenlerialtında üretilen PVDF fiber ağ filmlerin -ek bir işleme tâbi tutulmaksızın- piezoelektrikeyleyici görevi görüp göremeyeceği, elektromekanik ölçümler vasıtasıyla incelenmiştir.Ölçümler, mevcut üretim değişkenleri altında üretilen PVDF fiber ağ filmlerinpiezoelektrik özelliğe sahip olmadığını, doğrusal dielektrik davranış gösterdiğini ortayakoymuştur. Fiber ağların elektroaktif özellikleri daha ayrıntılı olarak incelenmiş, elektrikalanla orantılı davranıştan -elektrostriktif olarak yorumlanan- elektrik alanın karesiyleorantılı davranışa geçiş cevapları gözlenmiştir.Ek olarak, seramik ve polimer malzemelerin özelliklerini birleştirmek amacıyla,ZnO/PVDF kompozit malzemeleri iki ayrı yöntem ile elde edilmiştir. Kompozitmalzemede ZnO, kutuplamaya ihtiyaç duymadan, piezoelektrik bileşen olarakkullanılırken, PVDF tutucu polimer olarak seçilmiştir. İlk işlemde, elektrodokuma vesinterleme sonrası elde edilen ZnO fiber ağlarının kırılganlığı, PVDF çözeltisinin içinebatırılıp çıkarılarak giderilmiş; ikincisinde, ZnO ve PVDF tozlarının karıştırılıppreslenmesi ile kompozitler üretilmiştir. Her iki işlemle de, piezoelektrik özelliğe sahipnumuneler elde edilebildiği saptanmıştır.

Keywords: PVDF, Electrospinning, Zinc Oxide, Piezoelectric Composite,Electromechanical CharacterizationPoly(vinylidene fluoride) (PVDF), an electroactive polymer, has great distinctionsfor its mechanical properties compared to highly brittle electroceramics. Itspiezoelectricity however is not immediately utilizable after being cast in film form, andthe cast PVDF film requires additional processes, such as mechanical stretching andpoling. In this thesis, alternative to cast PVDF film, electroactive characteristics ofPVDF fibrous mats produced by electrospinning are investigated to seek whether it issufficient to use them as piezoelectric actuator directly after their production.The measurements revealed that under studied electrospinning parameter settingspiezoelectricity of electrospun PVDF fibrous mat was not apparent, but the mat ratherbehaved as a linear dielectric. The transition from this linear to second order electricfield dependence -that is interpreted as electrostrictive behaviour- is recorded.Moreover, ZnO/PVDF electroactive composites, to combine features of ceramicand polymer materials, are produced by two methods. While ZnO is utilized as primarypiezoelectric component, which does not require poling, PVDF is chosen as the matrixmaterial to enhance the flexibility of the composite material. In the first process, a ZnOfibrous mat via electrospinning of precursor fibers and their calcination is dipped into aPVDF solution. In the second, ZnO and PVDF powders are mixed and casted ascomposite. Electroactive characterization showed that both processes result in acomposite material with piezoelectric properties.