Polylactid-basierte Elektrete und Piezoelektrete: Herstellung, Eigenschaften und Anwendungen

Die biologische Abbaubarkeit von Materialien und Bauteilen gewinnt zunehmend an Bedeutung, sowohl bei industriellen Anwendungen wie Verpackungsmaterialien als auch im biomedizinischen Bereich, beispielsweise bei Implantaten. Eines der am meistgenutzten biologisch abbaubaren Polymere ist Polylactid (PLA), das sich aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften und guten Verarbeitbarkeit in zahlreichen Anwendungen etabliert hat. Kürzlich veröffentlichte Studien haben zudem gezeigt, dass PLA gute Ladungsspeicherungseigenschaften aufweist und es sich somit als nachhaltiges Elektret-Material eignet. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Herstellung und Charakterisierung von biologisch abbaubaren Elektreten und Piezoelektreten auf Basis von PLA. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden biologisch abbaubare Elektrete auf Basis von PLA durch einen Rotationsbeschichtungsprozess hergestellt. Dabei wurde der Einfluss sowohl von materialspezifischen Parametern, wie z. B. der Kristallinität, als auch von externen Faktoren wie der Luftfeuchtigkeit und der Umgebungstemperatur auf die Eigenschaften der Elektrete, insbesondere deren Ladungsstabilität, untersucht. Zur Verbesserung der Ladungsstabilität wurde zudem der Einfluss von Füllstoffen, die in die Polymermatrix eingebettet wurden, analysiert. Als Füllstoff wurde das Enzym Proteinase K verwendet, das aus dem Schlauchpilz Tritirachium album gewonnen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ladungsstabilität der Elektrete stark von den äußeren Umgebungsbedingungen, insbesondere der Luftfeuchtigkeit, abhängt und die Kristallinität ebenfalls einen großen Einfluss auf die Ladungsstabilität hat. Durch das Einbetten des Enzyms in die Polymermatrix konnte die Ladungsstabilität verbessert und gleichzeitig der Hydrolyseprozess deutlich beschleunigt werden. Weiterhin wurden aus den Elektreten unipolare thermogeformte Piezoelektrete hergestellt und hinsichtlich ihrer piezoelektrischen Eigenschaften untersucht. Die für die Herstellung benötigten Thermoforming-Matrizen wurden aus anisotrop geätzten Siliziumwafern hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass mit den unipolaren PLA-basierten Piezoelektreten quasi-statische d33-Koeffizienten von über 1000 pC/N erreicht werden können, was vergleichbar mit Piezoelektreten aus anderen Materialien wie z. B. Fluorethylenpropylen ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Resonanzfrequenz der Piezoelektrete maßgeblich von der Hohlraumgeometrie abhängt. Da die Piezoelektrete einen hohen Ladungsverlust bei hoher Luftfeuchtigkeit aufweisen, wurde darüber hinaus in dieser Arbeit eine Ummantelung für die Piezoelektrete entwickelt, um sie vor zu hoher Luftfeuchtigkeit zu schützen. Für die Ummantelung wurde eine Materialkombination aus Polycaprolacton und Molybdän verwendet, da dadurch eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeit und zudem eine einfache Verarbeitung gewährleistet ist. Mit der Ummantelung können die Elektrete und Piezoelektrete zwar effektiv vor zu hoher Luftfeuchtigkeit geschützt werden, allerdings reduziert sich der d33-Koeffizient deutlich. Neben PLA-Elektreten, die durch Rotationsbeschichtung hergestellt wurden, wurden in einem weiteren Teil dieser Arbeit 3D-gedruckte Elektrete hergestellt, charakterisiert und für den Einsatz in Rotations-Energy-Harvester untersucht. Der Energy-Harvester wurde komplett additiv gefertigt und besteht aus einem bipolar geladenen Elektreten (Rotor), Elektrodenpaare aus leitfähigem PLA-Filament (Stator) und einem Rollenlager, das ebenfalls aus PLA gedruckt wurde. Mit dem Energy-Harvester wurde eine Ausgangsleistung von 61 μW bei einer Umdrehungszahl von 400 Umdrehungen pro Minute erreicht.

The biodegradability of materials and components is becoming increasingly important, both in industrial applications such as packaging materials and in the biomedical field, for example, in implants. One of the most commonly used biodegradable polymers is polylactic acid (PLA), which has established itself in numerous applications due to its good mechanical properties and excellent processability. Recently published studies have also shown that PLA has good charge storage properties, making it suitable as a sustainable electret material. In this context, the present work deals with the fabrication and characterization of biodegradable electrets and piezoelectrets based on PLA. As part of this research, biodegradable electrets made from PLA were fabricated using spin coating. The study investigated the influence of material-specific parameters, such as crystallinity, and external factors, including humidity and ambient temperature, on the properties of the electrets, with a particular focus on their charge stability. To improve charge stability, the influence of fillers embedded in the polymer matrix was also analyzed. As filler material, the enzyme Proteinase K, derived from the sac fungi Tritirachium album, was used. The results show that the charge stability of the electrets is highly dependent on external environmental conditions, especially humidity, and that crystallinity also has a significant impact on the charge stability. By embedding the enzyme in the polymer matrix, the charge stability was further enhanced, and the hydrolysis process was significantly accelerated. Furthermore, unipolar thermoformed piezoelectrets were manufactured from the electrets and investigated regarding their piezoelectric properties. The thermoforming templates required for manufacturing were made from anisotropically etched silicon wafers. The results show that with unipolar PLA-based piezoelectrets can acieve high d33-coefficients of over 1000 pC/N, which is comparable to piezoelectrets made from other materials such as fluorinated ethylene propylene. The resonance frequency of the piezoelectrets was also found to be significantly dependent on the air-void geometry. This finding is important for improving the power output of energy harvesters based on piezoelectrets, for example. Since the electrets and piezoelectrets exhibit high charge decay at high humidity, an encapsulation for the piezoelectrets was developed in this work to protect them from excessive humidity. A material combination of polycaprolactone and molybdenum was used for the encapsulation, ensuring low water vapor permeability and simple processing. Although the coating effectively protects the electrets and piezoelectrets from high humidity, the d33-coefficient is significantly reduced. In addition to PLA electrets produced by spin coating, 3D-printed electrets were fabricated, characterized, and investigated for application in rotational energy harvesters in another part of this work. The energy harvester was entirely additively manufactured and consists of a bipolar charged electret (rotor), electrode pairs made of conductive PLA filament (stator), and a roller bearing, which was also printed from PLA. The energy harvester achieved an output power of 61 μW at a rotational speed of 400 rpm.