Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme cấu trúc xốp ứng dụng trong thiết bị phát điện nano ma sát bằng phương pháp sử dụng khuôn đúc p-PVDF

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Ngoài khả năng hòa tan đối nghịch của cặp vật liệu PI và PVDF, hiệu quả của quá trình chế tạo cấu trúc xốp PI bằng phương pháp này phụ thuộc rất lớn vào khả năng điền đầy của dung dịch PI vào p-PVDF template. Kết quả so sánh của các màng ip-PI cho thấy, trong khi bề mặt cả hai mẫu ip-PI40 và ip-PI50 đều thể hiện một cấu trúc xốp liên tục có độ xốp cao, màng ip- PI455 thu được gần như không có hình dạng của cấu trúc xốp, chỉ có các vết nứt trên bề. Đặc tính kỵ nước này của màng ip-PI50 có lợi ích rất lớn khi ứng dụng trong TENG do vật liệu kỵ nước có khả năng loại bỏ nhanh các giọt hơi nước tích tụ trên bề mặt, các giọt hơi nước này là một trong những nguyên nhân chính gây thất thoát điện tích dẫn đến giảm hiệu quả phát điện của TENG.

Lợi thế của phương pháp chế tạo màng tích điện dương mb-CS là có khả năng chế tạo mẫu lớn, hiệu quả mà vẫn giữ được độ đồng đều của cấu trúc trên diện rộng như quan sát hình ảnh bề mặt trên kính hiển vi quang học Hình 4.23. Nhằm dự đoán chính xác nhất các ảnh hưởng của cấu trúc đến khả năng phát điện của thiết bị, các cấu trúc xốp 3D của vật liệu cần được mô phỏng như một thống số đầu vảo (input) gần giống với cấu trúc xốp PI thực tế. Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của bề mặt ma sát đến khả năng phát điện COMSOL là phần mềm mụ phỏng dựa trờn cỏc cụng thức lý thuyết để làm rừ sự thay đổi điện trường của: vật liệu, cấu trúc và khoảng cách tiếp xúc.

Trong đó, mức điện thế của trường tĩnh điện được biểu diễn qua các màu sắc, tương ứng vị trí có điện thế dương cao nhất được thể hiện bằng màu đỏ (đại diện cho vật liệu ma sát dương), vị trí có điện thế âm cao nhất được biểu diễn bằng màu xanh dương (đại diện cho vật liệu ma sát âm), và màu xanh lá cây đại diện cho vùng có trường tĩnh điện bằng 0. Kết quả mô phỏng thể hiện trong Hình 4.27 cho thấy sự thay đổi phân bố điện thế khi sử dụng vật liệu phẳng f-PI và vật liệu cấu trúc xốp PI, cũng như sự cải thiện hiệu quả phát điện của việc lựa chọn vật liệu ma sát dương thích hợp. Điều này được giải thớch rừ hơn ở kết quả mụ phỏng dạng lưới trong Hỡnh 4.28b, cho thấy sự xuất hiện của các vùng lưu trữ điện tích trên bề mặt vật liệu và bên trong các lỗ xốp của PI, đây được coi là “hồ chứa điện tích” (trapping sites), đặc trưng này không xuất hiện ở f-PI.

Trong vật liệu xốp, sự phân bố ngẫu nhiên các khoang xốp trong chứa không khí với hằng số điện môi ε = 1 [50][51]được coi là các vùng lưu trữ điện tích và có thể được sử dụng để thay đổi hằng số điện môi của màng ma sát. Trong thực tế, các lỗ xốp này có thể tránh việc giảm thất thoát điện tích bề mặt bằng cách ngăn chặn sự phân tán điện tích trên bề mặt chất điện môi và hạn chế sự chuyển động của điện tích về phía các bề mặt và điện cực. Ở trạng thái ban đầu, khi hai vật liệu tiếp xúc với nhau, có sự chuyển điện tích giữa bề mặt hai lớp vật liệu nhằm trung hòa điện tích cho nhau, do đó không có sự chênh lệch về thế và trường điện nào được tạo ra trên bề mặt mb-CS và xốp PI.

Thiết bị TENG để khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc xốp đến khả năng phát điện đầu ra gồm vật liệu ma sát dương là nhôm (Al) và vật liệu ma sát âm là p-PI có cấu trúc khác nhau, với tần số dao động tuần hoàn cố định ở 5 Hz (Hình 4.37). Thiết bị TENG chịu nhiệt cấu tạo từ vật liệu ma sát âm PI cấu trúc khác nhau và vật liệu ma sát dương mb-CS được lắp ráp trong chế độ tiếp xúc – tách, diện tích tiếp xúc hai bề mặt ma sỏt là 2,5 cm ì 2,5 cm. So sánh hình thái bề mặt của hai màng xốp PI đặc trưng được chế tạo bằng hai phương pháp (Phụ Lục 7), kích thước lỗ xốp của màng ip-PI50 nhỏ hơn rất nhiều so với màng p- PI_811 Điều này có thể giải thích bởi 2 nguyên nhân chính: (i) Cấu trúc xốp nhỏ liên tục làm tăng mật độ điện tích bề mặt bằng cách tạo ra ma sát tốt với các cấu trúc lồi vi mô của mb-CS, làm tăng diện tích tiếp xúc hiệu dụng; (ii) Sự phân bố ngẫu nhiên các khoang xốp chứa không khí đóng vai trò là vùng lưu trữ điện tích, các lỗ xốp này càng nhỏ và càng liên tục thì càng ngăn chặn sự phân tán điện tích trên bề mặt chất điện môi.

Sự tăng cường điện áp này do kết hợp giữa khả năng tích trữ điện tích trên bề mặt vật liệu xốp ip-PI50 với quá trình bão hòa điện tích ở hai bề mặt ma sát, giúp quá trình tạo ra dòng điên ma sát hiệu quả hơn. Ngoài ứng dụng cảm biến theo dừi độ rung theo thời gian thực, Spi-TENG cú thể hoạt động như một hệ thống tự cấp nguồn để phát hiện và cảnh báo trước các vụ cháy rừng nhờ khả năng chịu nhiệt và khả năng thu năng lượng cơ học (Hình 4.57).