Electroactive polymer nanocomposites for energy harvesting applications

Élaboration d'un dispositif de récupération d'énergie en fibres PVDF électrofilées Les préoccupations croissantes concernant la consommation d'énergie et l'impact environnemental des appareils électroniques mènent à étudier des alternatives aux piles. Pour les applications à faible consommation d'énergie, la récupération d'énergie à l'aide de nanogénérateurs à base de polymères électroactifs est une voie envisagées. Parmi ces polymères, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) est le plus étudié, car il présente de bonnes propriétés de couplage électromécanique, une grande stabilité chimique, une bonne flexibilité et une bonne biocompatibilité. L'un des principaux défis liés au PVDF est la maximisation de sa fraction de phases électroactives cristallines, en particulier la phase β. Pour caractériser avec précision les fractions de phases cristallines des échantillons de PVDF produits, une approche multi-techniques a été développée - DSC, WAXS, FTIR, spectroscopie Raman. La DSC et les WAXS ont été principalement utilisées pour déterminer avec précision le taux de cristallinité des échantillons, tandis que la FTIR et la spectroscopie Raman sont mieux adaptées à l'identification des phases. De plus, un nouveau critère Raman a été proposé pour quantifier avec précision les fractions des phases α, β et γ, en utilisant une approche de déconvolution de courbes. Une étude de l'influence de plusieurs paramètres d'électrofilage a mis en évidence que le taux de cristallinité est peu influencé par les paramètres testés, par rapport à l'effet d'étirement provenant de la technique d'électrofilage. Toutes les fibres produites présentaient une quantité négligeable de phase cristalline α (<5 %) et une proportion de phases cristallines β et γ d'environ 70/30 %. Cependant, il a été démontré qu'un débit de solution plus élevé et une tension appliquée trop faible ou trop élevée réduisaient le rapport des fractions de phase β/γ, provoquant l'apparition de défauts. L'ajout de charges CNC et QC n'a pas eu d'impact notable sur la microstructure semi-cristalline des fibres électrofilées, confirmant qu'elle est principalement contrôlée par le processus d'électrofilage. Pour la première fois, la spectroscopie micro-Brillouin a été utilisée pour la caractérisation mécanique de fibres électrofilées isolées. La forte variation des propriétés mécaniques observée entre les fibres élaborées avec un rapport DMF:acétone de 3:7 et avec un rapport DMF:acétone de 4:6 a été attribuée à la présence de mésoporosités dans les fibres, provenant de la différence de vitesse d'évaporation du solvant. Une étude menée sur des composites a montré un léger effet de renforcement de quelques pourcents de charges CNC sur les fibres électrofilées, malgré les disparités des valeurs c11 observées au sein d'un même échantillon. Un autre résultat important a été obtenu en étudiant l'évolution des propriétés mécaniques des fibres de PVDF électrofilées en fonction de la température. Une anomalie élastique inattendue a été mise en évidence, et l'explication proposée pour ce comportement est le croisement de la transition αc, qui se produit autour de 30 °C et se caractérise par la réorientation de la région cristalline située à l'interface amorphe-cristalline dans les matériaux orientés mécaniquement , précédant la fusion des cristaux α imparfaits. Une étude complémentaire suggère la possibilité de former une phase β dans l'échantillon exposé à un laser vert de 532 nm. Grâce à un banc de test conçu au laboratoire, il a été possible de tester les performances des fibres composites PVDF et de vérifier leur sensibilité aux variations de force et de fréquence appliquées. L'échantillon CNC5 a atteint les performances de sortie les plus élevées tout en conservant une bonne stabilité du signal. Le dispositif a prouvé sa capacité pratique à fonctionner à la fois comme capteur de pouls et comme nanogénérateur de récupération d'énergie mécanique, montrant un potentiel d'intégration dans des systèmes de surveillance de la santé sans fil à faible consommation d'énergie.