ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-ott-2019
2018/2019
In questo lavoro di tesi si è testato il materiale polimerico P(VDF-TrFE), di composizione VDF su TrFE in un rapporto di 80/20, in cui si sono realizzati dei campioni partendo dal polimero disciolto in soluzione depositando film micrometrici (20 µm). Sono state esaminate le varie fasi del processo, dalla deposizione fino allo sviluppo del film piezoelettrico, cercando di individuarne la corretta realizzazione per ottenere il miglior risultato e ridurne i tempi al fine di pensare ad un opportunamente ottimizzato processo industriale o industrializzabile.
I film depositati hanno una quantità di fase cristallina insufficiente per dare delle proprietà apprezzabili, essa deve essere aumentata successivamente mediante un processo di annealing per raggiungere proprietà piezoelettriche più alte. L’annealing risulta peraltro molto efficace, la fase cristallina, a elevate temperature, attraversa una trasformazione assumendo una struttura a reticolo esagonale che, data la sua elevata mobilità, consente un rapido aumento del grado di cristallinità. La parte relativa al trattamento termico sarà valutata al fine di ottimizzare la durata e la temperatura del processo; lo studio del grado di cristallinità è eseguito con un’analisi diretta sul campione, mediante DSC e diffrazione a raggi X, e con una indiretta valutando le proprietà piezoelettriche e di polarizzazione residua con isteresi elettrica.
In seguito al trattamento termico il film viene sottoposto ad elevato voltaggio (circa 200V/µm), tecnica del poling, al fine di orientare le fasi cristalline nella stessa direzione e garantire una proprietà a livello macroscopico. Voltaggi così elevati sono confrontabili con il limite dielettrico del materiale e possono portare a rottura per cortocircuito; tuttavia si è osservato che l’essicamento rapido in fase di deposizione rende lo step di poling meno critico aumentando la resistenza dielettrica. Ciò è dovuto alla morfologia della struttura della fase cristallina che si sviluppa; oltre a questo vantaggio ci sono ulteriori benefici derivanti da questo tipo di struttura che saranno evidenziati.
Fluoropolymers are known as particular materials with highly technological value, the reason can be attribute to the special features introduced by the F atom. In the case of PVDF and its copolymer P(VDF-TrFE), the bond polarity of C-F is responsible for piezoelectric and ferroelectric properties, the highest seen among all organic materials.
The facility to be processed in solution, together with the high stability of the crystal piezoelectric phase, make the copolymer suitable to be implemented in organic electronics by printing or by roll-to-roll deposition processes and be implemented in many sensors, actuators or memories devices.
In this work it is studied the manufacturing process of piezoelectric P(VDF-TrFE) polymeric films with thickness of 10-20 µm. The several steps are analysed with the aim to set the correct parameters for developing the most performant film and find some procedures which can be implemented for the industrial production.
The piezoelectric and ferroelectric activity of this material are induced by the crystalline phase β and its behaviour is really affected by temperature causing a solid-state transition of the crystal phase, as all other ferroelectric materials. This transition can be exploited during processing through an annealing treatment at elevated temperatures to increase the crystallinity degree and improve piezoelectric properties. The parameters of temperature and duration of the annealing need to produce highly crystalline film are examined.
Another important step influencing the final result is the polymeric crystal structure. The crystalline phases must be oriented in the same direction to produce a piezoelectric activity by the application of a strong electric field. It can be a really critical step and the film can be broken. To avoid this a good control of the drying process after the deposition step can induce a subtle dispersion of the crystal structure and reduce the occurrence of the phenomenon.