Flexible faserförmige Sensoren auf Basis von piezoelektrischen Polymeren - PieTex -

Ziel des Projektes war es, flexible faserförmige Sensoren auf Basis von piezoelektrischen Polymeren zu entwickeln,  welche einerseits als Einzelfaser Schwingungen erfassen können, andererseits in einem textilen Verbund mehrerer Fasern neben dem Sensoreffekt auch als „Energy-harvesting“ System genutzt werden können. Dabei wurden zwei verschiedene Herstellungstechnologien untersucht: Zum einen das Konfektionieren einer Polyvinyliden(PVDF)-Folie in schmale Folienbändchen von großem Aspektverhältnis, zum anderen die Herstellung von derartigen Fäden unter Nutzung der Bikomponentenschmelzspinntechnologie.

Ergebnisse

Im Zuge der Projektarbeit wurden zunächst an reinen PVDF Monofilamenten mittels Röntgenweitwinkelstreuung (WAXS) und Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) der Anteil der für den Piezoeffekt verantwortlichen β-Kristallite gemessen und durch Evaluation der optimalen Spinn- und Reckbedingungen maximiert. Anschließend wurden verschiedene leitfähig gefüllte Polymercompounds untersucht, welche unter den ermittelten Bedingungen möglichst hochleitfähig verspinnbar sind. Mit den Erkenntnissen der ersten Arbeitspakte wurden Bikomponenentfilamente in Core-Sheath Geometrie hergestellt, bei denen rußgefülltes Polypropylen das Kernmaterial bildet, währenddessen der Mantel aus PVDF besteht. Durch ein anschließendes Bedampfen mit Aluminium wurde ein Faserquerschnitt mit zwei konzentrischen Elektroden und einer PVDF Schicht dazwischen erzielt. An diesen Rohfasern wurden durch Strukturierung mittels Excimer Laser partiell Schichten abgetragen, um die Kernelektrode einer Kontaktierung zugänglich zu machen. Für diesen Schritt wurden verschiedene Techniken untersucht, wie Crimpen, Löten, Kleben oder Umwinden, von denen sich eine Kombination aus den beiden letzten als Methode der Wahl erwies. Um einen Piezoeffekt bei den fertigen Sensorfasern zu erreichen, ist ein abschließendes Polarisieren der Sensoren durch das Anlegen einer Hochspannung von mehreren kV bei erhöhter Temperatur nötig. Hierbei wurden verschiedene Temperatur-Spannungs-Profile untersucht, um einerseits einen maximalen Piezoeffekt zu erzielen, andererseits eine möglichst schnelle und effiziente Herstellung zu erreichen. Die entwickelten Sensorfasern weisen eine ausgezeichnete Flexibilität aus, was einen großen Vorteil gegenüber den bekannten keramischen Piezoelementen darstellt. Weiterhin zeigen sie eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Anregungsoszillation und Sensorsignal. Bei optimaler Anregung erzeugt eine 20 cm lange Sensorfaser eine elektrische Energie von etwa 3 µW, was bezogen auf die Volumenleistungsdichte einen Wert darstellt, der in etwa dem aktuellen Stand der Forschung entspricht und die Filamente damit interessant für eine Anwendung im Bereich des Energy-harvesting macht. Die Sensorfasern wurden durch Projektpartner aus der Textilindustrie sowohl mittels Strick- als auch durch Sticktechniken in textile Flächen integriert.

Anwendung

Aktuell werden die Sensorfasern in mehreren bewilligten oder beantragten Nachfolgeprojekten auf ihre Eignung in verschiedenen Anwendungsbereichen untersucht. So wird z.B. im Zuge des bereits laufenden ZIM-Projektes „FiVe-Net“ der Einbau als Schwingungssensor in die Rotorblätter einer Windkraftanlage untersucht. Weiterhin sind zwei Forschungsprojekte mit Industriekooperation in der Antragsphase, welche die Entwicklung einer Falldetektionsjacke bzw. Matte auf Basis der Piezofilamente zum Ziel haben.