کاربرد پلی‌یورتان و کامپوزیت‌های آن در صنایع الکترونیک (بخش سوم)

در بخش‌های گذشته نوشتار، برخی از کاربردهای پلی‌یورتان در صنعت الکترونیک ذکر گردید. استفاده در کاربردهای حافظه‌شکلی، تهیه سنسورها و حسگرها، محرک‌ها (Actuators) و محافظ‌های تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به اختصار مورد بررسی قرار گرفت. نوشتار حاضر آخرین بخش از این مجموعه بوده و سایر کاربردهای پلی‌یورتان در صنعت الکترونیک را توضیح می‌دهد.

5. الکترولیت‌های پلیمری

الکترولیت‌های جامد پلیمری توجه قابل توجهی را برای کاربرد در باتری‌های لیتیوم-یون (LIB)، پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها، حسگرهای الکتروشیمیایی و کاربردهای اینچنین بخود جلب کرده‌اند. آنها نسبت به الکترولیت‌های مایع متداول و الکترولیت‌های معدنی جامد مزایای مختلفی را از نظر فرآیندپذیری، چگالی انرژی بالاتر، استحکام مکانیکی، عدم نشت، انعطاف‌پذیری برای طراحی پیل، محصولات واکنش غیر قابل احتراق در سطح الکترود و غیره ارائه می‌دهند. پلیمرهای مختلفی از جمله پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF)، پلی اکریلونیتریل (PAN)، پلی وینیل کلرید (PVC)، پلی متیل متاکریلات (PMMA) و پلی‌یورتان بعنوان پلیمرهای میزبان برای تهیه الکترولیت‌های پلیمری مورد استفاده قرار گرفته‌اند. الکترولیت‌های جامد پلیمری از پلیمری که بطور ذاتی خواص الکترولیتی دارد و یا از کامپوزیت‌های یک نمک معدنی که در یک پلیمر گنجانده شده است، تشکیل شده‌اند.

برای کاربردهای باتری فعلی، الکترولیت‌های جامد پلیمری باید رسانایی یونی بالا (بیش از S/cm 10-5 در دمای محیط)، پایداری ابعادی حرارتی خوب، پایداری الکتروشیمیایی مناسب و فرآیندپذیری آسانی داشته باشند. تحرک یون‌ها در الکترولیت پلیمری به انعطاف‌پذیری بخش‌های پلیمری و پایداری ابعادی ماده پلیمری به سختی بخش‌های پلیمری بستگی دارد. با توجه به این موضوع، پلیمری متشکل از بخش‌های سخت و بخش‌های نرم برای ماتریس الکترولیت‌های جامد پلیمری مناسب است؛ از این در سال‌های اخیر الکترولیت‌های پلیمری مبتنی بر پلی‌یورتان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار شده‌اند. در پلی‌یورتان‌های برپایه پلی‌اتر، پیوند هیدروژنی بین گروه کربونیل و گروه N-H در بخش‌های سخت TPU منجر به تشکیل دامین‌های سخت با کراسلینک‌های فیزیکی شده و پایداری ابعادی نهایی را بدنبال خواهد داشت. بخش‌های نرم بعنوان یک حلال برای حل کردن کاتیون‌ها عمل کرده و ضمن تسهیل در انتقال یون‌ها به رسانایی الکترولیت پلیمری کمک می‌کنند. مزیت TPU این است که با تنظیم ساختار و نسبت بخش نرم و بخش سخت، طیف وسیعی از خواص مختلف قابل دست‌یابی است.

الکترولیت‌های برپایه پلی‌یورتان. تحقیقات مختلفی برای تهیه این نوع الکترولیت‌ها، با تغییر در ساختار پلی‌ال‌ها صورت گرفته است. بعنوان مثال با استفاده از پلی‌اتیلن گلایکول (PEG) و پلی‌تترامتیلن گلایکول (PTMG) تغییرات رسانایی در TPU مشاهده شده است. رسانایی تقریبی S/cm 10-4 و پایداری ابعادی مناسب در استفاده این پلیمرها بعنوان سگمنت نرم گزارش شده است.

الکترولیت ژل پلی‌یورتان با پخت UV یک الکترولیت مایع حاوی یورتان‌اکریلات آلیفاتیک، با کنترل غلظت TPU، رسانایی یونی الکترولیت‌های ژل S/cm 10-3× 4.7-9.8 را نتیجه داده است. این ترکیب برای تهیه سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC)) مورد استفاده قرار می‌گیرد.DSSC شبه جامد ساخته شده با الکترولیت ژل، راندمان تبدیل انرژی کلی 6.1٪ را تحت تابش 100 مگاوات بر سانتی‌متر مربع در دمای اتاق نشان می‌دهد. الکترولیت پلی‌یورتان را می‌توان از طریق فرآیندهای ساده و مقرون‌به‌صرفه مانند چاپ و پخت UV در DSSC ادغام کرد. این امر آن را از نظر تجاری بسیار مناسب می‌سازد.

الکترولیت‌های برپایه آلیاژ پلی‌یورتان-پلی‌وینیلیدین فلوراید. الکترولیت‌های پلیمری ژلی ریزمتخلخل هیبریدی (HMGPE) بر پایه پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) و نمک لیتیوم پلی‌یورتان (PLS) برای استفاده در باتری‌های لیتیوم‌یونی مورد بررسی و توسعه قرار گرفته‌اند. تجزیه و تحلیل داده‌ها نشان می‌دهد که HPGPEها با نسبت وزنی 80:20 از PVDF و PLS بالاترین ظرفیت شارژ-دشارژ و سلول مبتنی بر HMGPEها با نسبت وزنی 90:10 از PVDF و PLS بهترین پایداری را در چرخه عملکرد ارائه می‌دهد.
الکترولیت‌های برپایه کامپوزیتهای پلی‌یورتان. کامپوزیت‌های پلی‌یورتان نیز بعنوان الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از فیلرهای سیلیکا، فیلرهای سرامیکی و کربن بلک جهت در تحقیقات گوناگون مورد بررسی قرار گرفته است.

6. مدارهای چاپی و وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر

طی سالهای اخیر، مطالعات زیادی در مورد وسایل الکترونیکی انعطاف پذیر به منظور فرایندپذیری در دمای پایین، کاهش هزینه مواد، افزایش سرعت تولید و انعطاف پذیری در تولید انبوه انجام شده است. هادی‌های الکتریکی چاپ شده و اجزای اتصال‌دهنده بعنوان قسمتهای اصلی، یکی از مهمترین بخش‌های تحقیق و توسعه در وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر بوده‌اند تا نسل جدیدی از این دستگاه‌ها ایجاد شود. پیشرفت در این زمینه‌ها علاوه بر ایجاد طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و کاربردهای جدید -که امروزه امکان‌پذیر نیستند- به توسعه بسیاری از وسایل الکترونیکی مصرفی فعلی نیز کمک می‌نماید. نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، آنتن‌های منعطف، ترانزیستورهای فیلم نازک (Thin-film)، صفحه کلیدهای غشایی، سلول‌های خورشیدی الکترونیکی، برچسب‌های شناسایی فرکانس رادیویی (RFID)، باتری‌های انعطاف‌پذیر، مدارهای الکترونیکی جایگذاری شده در لباسها و دستگاه‌های پزشکی از جمله مثال‌های موجود هستند.

از میان تمام مواد رسانای سبک وزن، پلیمرهای رسانا، قابل کشش و منعطف و نیز کامپوزیت‌های آنها بدلیل کاربردهای پیشرفته در زمینه نمایشگرهای الکترونیکی انعطاف پذیر، منسوجات هوشمند، دستگاه‌های الکترونیکی پزشکی، سنسورها و محرک ها توجه بسیاری از محققان را بخود جلب کرده‌اند. این کامپوزیت-نانوکامپوزیت ها امکان کشیده‌شدن، تا شدن و تغییر شکل به حالت مورد نیاز را فراهم می‌کنند. در مقایسه با مواد هادی معمولی سخت، پلیمرهای رسانای منعطف یک مفهوم جدید ارائه کرده و کاربردهای بالقوه‌ای را در سطوح منحنی و قسمت های متحرک الکترونیک دارند.

کامپوزیت‌های رسانا و انعطاف‌پذیر با افزودن پرکننده‌های رسانا به پلیمرها قابل تولید هستند. بطورکلی، پرکننده‌های رسانا دارای عملکرد الکترونیکی و پایداری خوب بوده اما استحکام مکانیکی ضعیفی دارند؛ درحالیکه پلیمرها خواص مکانیکی خوب و خواص الکترونیکی ضعیفی را ارائه می‌دهند. بنابراین کامپوزیت‌های پلیمری رسانا از استحکام مکانیکی عالی و عملکرد الکترونیکی عالی برخوردار هستند و این کلید دست‌یابی به وسایل الکترونیک منعطف است. تحقیقات بسیاری روی استفاده از انواع پرکننده‌های مختلف در سیستم‌های پلی‌یورتانی انجام شده است. استفاده از ورقه‌های نقره (Silver Flakes) و نانولوله‌های کربنی در بسیاری از منابع علمی ذکر شده و نتایج قابل توجهی در خصوص این کامپوزیت‌ها ارائه شده است.

7. استحصال انرژی

با پیشرفت در حوزه دستگاه‌ها و حسگرهای شبکه بی‌سیم، نیاز به دستگاه‌هایی توان مورد نیاز خود را تأمین کنند بسیار افزایش داشته است. در این زمینه، برداشت یا استحصال انرژی (Energy Harvesting)، فرآیندی برای تبدیل انرژی از محیط اطراف به انرژی الکتریکی قابل استفاده، به موضوع داغی برای تحقیق تبدیل شده است. در کاربردهای برداشت انرژی، به منظور تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی، از مواد الکترواکتیو از جمله پیزوالکتریک‌ها و مواد الکترواستریکتیو (Electrostrictive) بطور گسترده استفاده می‌شود. کامپوزیت‌های پلی‌یورتان نیز به عنوان یک کاندیدای بالقوه برای کاربردهای برداشت انرژی ظهور کرده‌اند. کامپوزیت‌های پلی‌یورتان با نانوذرات مس و پودرنانو کربنی بعنوان پرکننده از ترکیبات مورد مطالعه و بررسی بوده‌اند.

جمع‌ بندی

در دوران مدرن مواد الکترونیکی آلی، پلی‌یورتان به همراه کامپوزیت‌ها و آلیاژهای آن، پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای تأمین تقریباً هر کاربرد الکترونیکی، از جمله محرک‌ها، حسگرها، دی‌الکتریک‌ها، وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر، برداشت و ذخیره‌سازی انرژی، محافظ EMI، اتلاف الکترواستاتیک و کاربردهای حافظه شکلی دارد. می‌توان با انتخاب دقیق بخش‌های سخت و نرم در ساختار پلی‌یورتان، خواص آن را برای کاربرد مورد نظر تنظیم نمود؛ این امر پلی‌یورتان را به یک پلیمر همه‌کاره برای کاربردهای الکترونیکی تبدیل می‌کند. علاوه بر این، می‌توان خواص آن را با افزودن پرکننده‌ها یا ترکیب با سایر پلیمرها نیز افزایش داد؛ پرکننده‌های مختلفی از جمله کربن بلک، گرافیت، ذرات مغناطیسی، نانولوله‌های کربنی و گرافن برای بهبود خواص الکتریکی پلی‌یورتان مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. اگرچه کارهای زیادی در مورد بهبود خواص الکتریکی پلی‌یورتان انجام شده است، اما هنوز کارهای قابل توجهی برای بهبود بیشتر آستانه نفوذ رسانایی الکتریکی مورد نیاز است. در آینده، انرژی نگرانی اصلی بشر خواهد بود. اگرچه تلاش‌هایی در زمینه کاربردهای برداشت و ذخیره‌سازی انرژی انجام شده است، اما زمینه وسیعی برای تحقیقات در حوزه پلی‌یورتان برای این کاربردها وجود دارد. الکترولیت‌های مبتنی بر پلی‌یورتان برای ابرخازن‌ها و باتری‌ها می‌توانند در آینده نزدیک یک حوزه تحقیقاتی گسترده بوده و سیستم‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر برپایه پلی‌یورتان می‌توانند تغییرات انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد کنند.

مطالعه بیشتر: کاربرد پلی‌یورتان و کامپوزیت‌های آن در صنایع الکترونیک (بخش دوم)