Development of a sustainable strain sensor based on carbon nanostructures filled vitrimer

Sensors and transducers are historically known devices which are nowadays experiencing a huge increase in research and development thanks to their broad range of applications as an area of electronics. Of course they are present in measuring instrumentation but they are also widely exploited in medicine, industry and control systems. Moreover, every smart object needs sensors in order to fulfill its tasks, it is thanks to sensors that smart is becoming so necessary in everyday life. Especially in robotics and artificial intelligence, which are the new skyrocketing fields, where using sensors technology is key. Moreover, as well as electronics in general, sensors too are undergoing a true renovation towards a greener and more sustainable production and manufacture, which aims to recycle materials and limit the creation of e-waste. The present thesis work aims to develop a novel material, from now on called "Carbon Vitrimer" (CV), made by the combination of carbon based nano-fillers, such as graphene nanoplatelets (GNPs) and carbon nanofibers (CNFs), known for their outstanding electrical properties, with a dynamic thermoset (a so-called vitrimer) created from a mixture of epoxidized soybean oil acrylate (ESOA) and diboronic easter dithiol (DBEDT) dynamic crosslinker, whose flexibility and low glass transition temperature allow for room temperature self-healing properties. Firstly, an overview of the aforementioned building blocks is presented along with some physical and chemical considerations, with strong emphasis on sustainability. Secondly, a more application oriented view is presented, where the functioning principles and the current state of the art in the field of sensors are explained, with the main focus on the world of strain sensors and in particular flexible ones. The methods and techniques used for the mechanical, electrical and morphological characterizations are then discussed in Chapter 3. Thereafter, the results of the aforementioned characterizations are shown and finally, the carbon-filled vitrimer performances as a green, stretchable and wearable sensor are presented. Indeed, it will be shown that the presented material has a lot of potential in flexible electronics and specifically in the sensors field, thanks to its conductivity comparable to that of conductive polymers and to its self-healing properties inherited from the vitrimer matrix. Furthermore, its complete recyclability makes it an appealing material for advanced and innovative devices, facing a crucial topic of today issues such as sustainability.

Sensori e trasduttori sono dispositivi ben noti sin dall'antichità, ma che negli ultimi anni hanno visto un grosso aumento di ricerca e sviluppo grazie alle vastissime possibilità di applicazione nell'elettronica. Oltre ad essere presenti nelle strumentazioni di misura, infatti, tali oggetti sono largamente utilizzati in ambito medicale e biomedicale, nell'industria e nei sistemi di controllo. Inoltre, ogni oggetto smart ha bisogno di sensori per compiere la propria funzione: è grazie ai sensori se oggi la parola smart è sinonimo di innovazione e, piano piano, sta diventando qualcosa di necessario nella vita di tutti i giorni. Soprattutto nella robotica e nell'intelligenza artificiale, nuovi ambiti nel pieno dello sviluppo e dal potenziale altissimo, la tecnologia dei sensori è fondamentale. Inoltre, i sensori, come il settore dell'elettronica in generale, stanno subendo un completo rinnovo con l'obiettivo di rendere produzione e fabbricazione più green e sostenibili, riciclando i materiali e limitando così la creazione di rifiuti elettronici (o e-waste). Questo lavoro di tesi propone lo sviluppo di un materiale innovativo, da qui in avanti chiamato "Carbon Vitrimer" (CV), basato sull'utilizzo di nano-fillers a base di carbonio, come nanopiastrine di grafene (GNPs) e nanofibre di carbonio (CNFs), note per le loro proprietà elettroniche fuori dal comune, e un termoindurente dinamico, anche detto vitrimer, ottenuto a partire dalla combinazione di olio di semi di soia epossidato acrilato (ESOA) con il reticolante dinamico ditiolo estere diboronico (DBEDT), le cui flessibilità e bassa temperatura di transizione vetrosa gli garantiscono la proprietà di auto-riparazione già a temperatura ambiente. Come prima cosa, viene presentata una panoramica delle varie componenti del materiale, insieme ad alcune rilevanti considerazioni fisiche e chimiche, con forte enfasi sul tema della sostenibilità. In secondo luogo, viene presentata una visione maggiormente incentrata sulle applicazioni, dove vengono spiegati brevemente i principi di funzionamento dei sensori e lo stato dell'arte in tale campo tecnologico. Tale sezione si concentra principalmente sul mondo dei sensori di deformazione ed in particolare su sensori flessibili. I metodi e le tecniche di caratterizzazione meccanica, elettrica e morfologica sono poi illustrati nel Capitolo 3. Dopodichè, vengono presentati i risultati di tali caratterizzazioni e, per concludere, le prestazioni della combinazione di vitrimer e nanoparticelle di carbonio come sensore green, deformabile ed indossabile vengono discusse e commentate. Si mostrerà come il materiale presentato abbia un incredibile potenziale nel campo dell'elettronica flessibile e nello specifico per quanto riguarda applicazioni sensoristiche, grazie alla sua conducibilità, comparabile a quella di un qualsiasi polimero conduttivo, combinata con la proprietà di auto-riparazione ereditata dalla matrice polimerica del vitrimer. Inoltre, la completa possibilità di riciclo e riutilizzo del materiale, ne fa un accattivante alternativa per dispositivi elettronici avanzati e innovativi, affrontando un argomento di cruciale importanza nelle tecnologie odierne quale la sostenibilità.