Τριβοηλεκτρικά φαινόμενα σε κλωστοϋφαντουργικά υλικά
Authors: Ρεπούλιας Αριστείδης 
Published: February 2025

Ο τριβοηλεκτρισμός είναι ένα φυσικό φαινόμενο που συμβαίνει συνεχώς στο περιβάλλον μας, αν και πιο συχνά είναι απαρατήρητο με το μάτι. Παρά το γεγονός ότι είναι γνωστός για περισσότερα από 2.500 χρόνια, δεν έχει μελετηθεί πλήρως, καθώς η διερεύνησή του απαιτεί μια διεπιστημονική προσέγγιση. Πολλοί παράγοντες έχουν σταθεί εμπόδιο στη διεξοδική μελέτη του φαινομένου από την επιστημονική κοινότητα. Η παρουσία του φαινομένου σε όλα τα είδη υλικών - στερεά, αέρια και υγρά, ανεξαρτήτως αν είναι αγωγοί ή μονωτές - σε συνδυασμό με τις διαφορετικές επιστημονικές προσεγγίσεις στη μελέτη του, την ανεπαρκή θεωρητική βάση, την έλλειψη τυποποιημένου εξοπλισμού μέτρησης και τις διαφορές στις μεθόδους και συνθήκες μέτρησης, συνέβαλαν στο να κάνουν δύσκολη και πολύπλοκη την κατανόησή του. Ωστόσο, όλα άλλαξαν πριν από μία δεκαετία, καθώς το ενδιαφέρον για τον τριβοηλεκτρισμό αυξήθηκε μέσα από την προσπάθεια ανάπτυξης τριβοηλεκτρικών γεννητριών (ΤΕΓ). Αυτές οι συσκευές, που στοχεύουν στη συλλογή τριβοηλεκτρικής ενέργειας ή στη χρήση τους ως αυτοτροφοδοτούμενοι αισθητήρες, φάνηκαν πολλά υποσχόμενες για την αντικατάσταση των μπαταριών σε εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης. Έκτοτε, έχει αφιερωθεί σημαντική προσπάθεια στην έρευνα και ανάπτυξη των ΤΕΓ, οδηγώντας σε σχεδόν εκθετική αύξηση των δημοσιεύσεων και του ενδιαφέροντος από την επιστημονική κοινότητα. Καθώς o τριβοηλεκτρισμός συνδέεται άμεσα με την κίνηση, σύντομα έγινε αντιληπτό ότι θα μπορούσε να προσαρμοστεί σε εφαρμογές φορετών συσκευών. Σε αυτήν την κατεύθυνση, τα κλωστοϋφαντουργικά υλικά, τα οποία εξυπηρετούν τον άνθρωπο εδώ και χιλιάδες χρόνια, αναδείχθηκαν ως ένα πεδίο που θα μπορούσε να εμπλουτίσει τις φορετές ΤΕΓ, χάρη στις μοναδικές μηχανικές και φυσικές τους ιδιότητες. Το επακόλουθο αποτέλεσμα ήταν η εισαγωγή ΤΕΓ βασισμένων σε υφάσματα, οι οποίες μπορούν να συνδυάσουν τα μοναδικά πλεονεκτήματα των κλωστοϋφαντουργικών υλικών με αυτά μιας ΤΕΓ. Μέχρι σήμερα, ΤΕΓ με υφαντή ή πλεκτή δομή έχουν παρουσιαστεί περιστασιακά, προσφέροντας καλύτερες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τις μεμβράνες ή τις στερεές δομές, όπως η ελαστικότητα, η αναπνευστικότητα και η ευκαμψία. Έτσι κλωστοϋφαντουργικά υλικά όπως ίνες πολλαπλών επιστρώσεων, επικαλυμμένα νήματα, αγώγιμα νήματα, νανοΐνες κ.α. έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτόνομων ΤΕΓ. Επιπλέον τεχνολογίες όπως η κέντηση ή η ηλεκτροκλωστοποίηση έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης για την ανάπτυξη κλωστοϋφαντουργικών ΤΕΓ. Αυτές οι προσπάθειες έχουν οδηγήσει στην πειραματική ανάπτυξη φορετών ΤΕΓ που μπορούν να προσαρτηθούν ως επιθέματα σε ρούχα ή ακόμα και σε παπούτσια. Οι παραγόμενες τάσεις έχουν αποδείξει την ικανότητά τους να τροφοδοτούν μικρής κατανάλωσης συσκευές όπως ρολόγια, υπολογιστές χειρός και διόδους εκπομπής φωτός (LED), ή έχουν χρησιμοποιηθεί για την ηλεκτρική αυτοτροφοδότηση αισθητήρων. Ωστόσο, αν και η κλωστοϋφαντουργική τεχνολογία είναι πολύ ώριμη και πλήρως ικανή να υποστηρίξει τη δημιουργία κλωστοϋφαντουργικών ΤΕΓ, η έρευνα για την πλήρη εκμετάλλευση της δυναμικής τους παραμένει ανεπαρκής. Συνεπώς, τα κίνητρα που έδωσαν το έναυσμα για αυτή τη διδακτορική διατριβή προέρχονται από τα ακόλουθα τέσσερα κενά που χαρακτηρίζουν τη συμμετοχή των κλωστοϋφαντουγικών υλικών και δομών στις ΤΕΓ. Πρώτον, η διεθνής βιβλιογραφία που αναφέρεται στη χρήση κλωστοϋφαντουγικών υλικών στις ΤΕΓ μέχρι σήμερα, περιορίζεται στην ανάπτυξη και επίδειξη μεμονωμένων περιπτώσεων ΤΕΓ που περιλαμβάνουν πολύ συγκεκριμμένα υλικά και λειτουργούν υπό πολύ συγκεκριμμένες συνθήκες ενεργοποίησης. Αντιθέτως, δεν έχει προταθεί κάποια ΤΕΓ ή μεθοδολογία που να μπορεί να μετρήσει και να συγκρίνει ευρέως δείγματα οποιουδήποτε υλικού, πάχους, επιφανειακής μορφολογίας, δομής, κλπ. Δεύτερον, στην πλειονότητα της διεθνούς βιβλιογραφίας, το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο έχει μελετηθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους που δεν αντικατοπτρίζουν ρεαλιστικά τις πραγματικές συνθήκες που συναντώνται σε εφαρμογές φορετών συστημάτων. Έτσι, χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα η κάτακόρυφη κίνηση επαφής και διαχωρισμού των τριβοηλεκτρικών επιφανειών της ΤΕΓ, παρόλο που αυτή η λειτουργία δεν αντιπροσωπεύει τις πραγματικές συνθήκες χρήσης που συναντώνται στα φορετά συστήματα. Μάλιστα, πρέπει να αναφερθεί ότι, αν και η τριβή περιλαμβάνεται εξ ορισμού στον όρο του τριβοηλεκτρισμού, σε πολλές δημοσιεύσεις δεν λαμβάνεται υπόψη, καθώς εξετάζεται μόνο η κατακόρυφη επαφή και ο διαχωρισμός των τριβοηλεκτρικών επιφανειών. Επιπλέον, συχνά εφαρμόζονται υψηλές και μη ρεαλιστικές δυνάμεις επαφής (είτε χρησιμοποιώντας βιομηχανικούς γραμμικούς κινητήρες είτε χειροκίνητα) και υψηλές συχνότητες επαφής, ενώ η τριβή παραβλέπεται. Ως εκ τούτου, το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο έπρεπε να προσεγγιστεί από μια πιο ρεαλιστική οπτική γωνία όσον αφορά τη χρήση του στα φορετά συστήματα. Τρίτον, η πλειονότητα της βιβλιογραφίας αναφέρει ΤΕΓ που ενσωματώνουν σύνθετα νανοϋλικά, μεμβράνες ή επιστρώσεις. Έτσι, η χρήση κλωστοϋφαντουγικών επιφανειών, που καταλαμβάνει ένα τεράστιο πεδίο τόσο ως προς τα υλικά όσο και ως προς τις δομές, δεν έχει εξεταστεί διεξοδικά. Αυτό είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτο, τη στιγμή που ένα από τα πιο γνωστά και απλά παραδείγματα του τριβοηλεκτρικού φαινομένου είναι η αφαίρεση μιας μπλούζας κατασκευασμένης από συμβατικά υλικά. Μόνο πρόσφατα και στο πλαίσιο της χρήσης βιώσιμων υλικών, λίγες είναι οι δημοσιεύσεις που έχουν μελετήσει τη χρήση βαμβακιού ή άλλων συνηθισμένων ινών για φορετές ΤΕΓ. Αντίθετα, η πλειοψηφία της έρευνας έχει επικεντρωθεί κυρίως σε προηγμένα υλικά που υπόκεινται σε εξειδικευμένες επεξεργασίες, επιστρώσεις, εμποτισμούς και τροποποιήσεις σε νανοκλίμακα. Τέταρτον είναι το γεγονός ότι όταν η διεθνής βιβλιογραφία παρουσιάζει κατασκευές ΤΕΓ που χρησιμοποιούν κλωστοϋφαντουργικές δομές, το σχέδιο της δομής (μοτίβο) επιλέγεται αυθαίρετα χωρίς να αναφέρονται κριτήρια. Συνήθως, αυτό περιλαμβάνει το απλό μοτίβο ύφανσης «plain», καθώς είναι το πιο απλό στην κατασκευή, ακόμη και χειροκίνητα, χωρίς την ανάγκη χρήσης εξεζητημένης μηχανής. Επομένως, λίγες μελέτες διαθέτουν την απαραίτητη τεχνογνωσία για την παραγωγή και μελέτη ποικίλων ή και πολύπλοκων πλεκτών ή υφαντών δομών. Συμπερασματικά, μετά από μια δεκαετία έρευνας και πολλές δημοσιεύσεις, τα παραπάνω τέσσερα σημεία έχουν δείξει ότι εξακολουθεί να υπάρχει ένα σημαντικό ερευνητικό κενό στην κατανόηση των δυνατοτήτων που μπορούν να προσφέρουν τα κλωστοϋφαντουργικά υλικά ή οι κλωστοϋφαντουργικές δομές σε μια ΤΕΓ. Προκύπτει ότι δεν υπάρχει καμία τυποποιημένη μεθοδολογία ή συσκευή ΤΕΓ που να ακολουθεί μια ρεαλιστική προσέγγιση για να μιμηθεί τις πραγματικές συνθήκες που συναντώνται στο πεδίο των φορετών συστημάτων. Επιπλέον, δεν υπάρχει καμία συσκευή ΤΕΓ που να παρέχει ευελιξία στην τοποθέτηση δοκιμίων των υπό εξέταση δειγμάτων, ώστε να επιτυγχάνονται οι υποκειμενικές και ακριβείς συγκρίσεις τους υπό τις ίδιες συνθήκες. Αυτό το γεγονός οδήγησε στον περαιτέρω σχεδιασμό και την ανάπτυξη της παρούσας μέτρητικής ΤΕΓ. Ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι να διερευνήσει τις δυνατότητες των κλωστοϋφαντουργικών δομών και υλικών για χρήση σε κλωστοϋφαντουργικές ΤΕΓ, μέσα από μια προσέγγιση που χαρακτηρίζεται από συνθήκες ρεαλιστικές, όπως αυτές που συναντώνται στα ενδύματα. Παράλληλα, αυτή η διατριβή στοχεύει να θέσει τις βάσεις για την εξερεύνηση των τριβοηλεκτρικών δυνατοτήτων συμβατικών κλωστοϋφαντουργικών υλικών και δομών, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία της ένδυσης. Τέλος, στοχεύει να παρουσιάσει μια μετρητική ΤΕΓ που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε για να λειτουργεί ως ένα ευέλικτο εργαλείο για τη συγκριτική μελέτη διαφορετικών υλικών και δομών, διευρύνοντας έτσι το πεδίο της τριβοηλεκτρικής έρευνας.Η εισαγωγική ενότητα της διατριβής χωρίζεται σε τρεις υποενότητες. Η πρώτη εισάγει τον αναγνώστη στο φαινόμενο του τριβοηλεκτρισμού, συμπεριλαμβανομένου του ορισμού, των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων, της σχέσης του με τη συγκομιδή ενέργειας, των δυσκολιών μελέτης και των επικαιροποιημένων θεωριών εξήγησης. Η δεύτερη υποενότητα συζητά τον ορισμό, τις αρχές λειτουργίας, τις δομικές κατηγορίες και τις παραμέτρους που επηρεάζουν τις ΤΕΓ. Η τρίτη υποενότητα είναι αφιερωμένη στις κλωστοϋφαντουργικές ΤΕΓ. Συζητά τη χρήση κλωστοϋφαντουργικών υλικών στο χώρο των ηλεκτρονικών και των ΤΕΓ, τα υλικά και τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται, καθώς και τα τρέχοντα κενά στην έρευνα που βασίζεται σε κλωστοϋφαντουργικά υλικά. Επιπλέον, αναλύεται η τριβοηλεκτρική κίνηση που προτείνεται εδώ καθώς και οι κύριοι στόχοι.Η ενότητα μεθοδολογίας χωρίζεται σε δύο υποενότητες. Η πρώτη είναι αφιερωμένη στη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την έρευνα. Αναλύονται η αρχή λειτουργίας και τα πλεονεκτήματα της αναπτυγμένης μετρητικής ΤΕΓ. Η πορεία ανάπτυξης της παρούσας πρωτοπόρου μεθοδολογίας εμπνεύστηκε και ξεκίνησε από την κίνηση ενός ανθρώπου που περπατά ή τρέχει φορώντας ένα ένδυμα που θα μπορούσε ενα φέρει ενσωματωμένη μια κλωστοϋφαντουργική ΤΕΓ. Αφού αναλύθηκε η κίνησή του, παρατηρήθηκε ότι αυτή περιλαμβάνει την επαφή και την τριβή των δύο τριβοηλεκτρικών επιφανειών. Κατόπιν, σχεδιάστηκε μια μετρητική ΤΕΓ για να μιμηθεί αυτή την κίνηση ρεαλιστικά, όπως θα γινόταν αν οι δύο τριβοηλεκτρικές επιφάνειες της ΤΕΓ ήταν ενσωματωμένες στο κινούμενο μέρος ενός ενδύματος το οποίο φοράει ένας άνθρωπος που κινείται. Η δεύτερη υποενότητα εστιάζει στην αναλυτική παρουσίαση των βημάτων ανάπτυξης που έγιναν για την κατασκευή της μετρητικής ΤΕΓ. Αυτά περιλαμβάνουν λεπτομερείς περιγραφές των μηχανικών και ηλεκτρονικών μερών της. Τέλος παρουσιάζονται η διαδικασία μέτρησης και ο παρατηρήσεις για ορθή χρήση της ΤΕΓ. Η πειραματική ενότητα περιλαμβάνει μια σειρά από μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, καθεμία από τις οποίες δημοσιεύθηκε ως ερευνητικό άρθρο σε περιοδικό ή παρουσιάστηκε σε συνέδριο. Οι υποενότητές της παρέχουν μια λεπτομερή ανάλυση του στόχου, των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν, της μεθοδολογίας μέτρησης που εφαρμόστηκε, των αποτελεσμάτων που προέκυψαν και των συμπερασμάτων που εξήχθησαν από κάθε μελέτη. Οι μελέτες περιλαμβάνουν τη σύγκριση των παραγόμενων τριβοηλεκτρικών τάσεων από κλωστοϋφαντουργικά δείγματα που κατασκευάστηκαν από διαφορετικά υλικά αλλά με το ίδιο σχέδιο πλέξης, τη σύγκριση κλωστοϋφαντουργικών δειγμάτων κατασκευασμένων από το ίδιο υλικό αλλά με διαφορετικά σχέδια ύφανσης, και τη σύγκριση του μεγέθους των επιφανειών επαφής ως προς τις παραγόμενες τριβοηλεκτρικές τάσεις. Μια άλλη μελέτη περιλαμβάνει τη σύγκριση των παραγόμενων τριβοηλεκτρικών τάσεων μεταξύ της επιλογής ομοιογενών ή ετερογενών υλικών για χρήση σε κλωστοϋφαντουργικές ΤΕΓ, δείχνοντας ότι οι τριβοηλεκτρικές τους επιφάνειες δεν χρειάζεται απαραίτητα να αποτελούνται από διαφορετικά υλικά, όπως φαίνεται στη πλειοψηφία των ερευνητικών άρθρων που περιλαμβάνουν τη χρήση πολυμερών. Επιπλέον, μελετήθηκε η σημαντική επίδραση της ατμοσφαιρικής υγρασίας στις παραγόμενες τριβοηλεκτρικές τάσεις των κλωστοϋφαντουργικών ΤΕΓ χρησιμοποιώντας το μέγεθος της απόλυτης υγρασίας. Αυτή χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για τη σύνδεση των παραμέτρων σχετικής υγρασίας και θερμοκρασίας, και τη συσχέτισή τους με την τριβοηλεκτρική απόδοση της ΤΕΓ. Επιπλέον, για πρώτη φορά, το εμπορικό δέρμα εισήχθη ως νέο υλικό για ΤΕΓ ενσωματωμένες σε ενδύματα. Τα ευρήματα δείχνουν ότι το δέρμα παρουσιάζει σημαντικές εξερχόμενες τάσεις σε σύγκριση με άλλα φυσικά υλικά που έχουν μελετηθεί στο παρελθόν, υποδεικνύοντας ότι θα μπορούσε να αποτελέσει ένα βιώσιμο υλικό για την ενίσχυση της απόδοσης των φορετών ΤΕΓ. Παράλληλα, πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε ινώδη μορφή για την κατασκευή μιας πλεκτής ΤΕΓ. Πρέπει να αναφερθεί ότι το PTFE, είναι ένα από τα πιο δημοφιλή και αποδοτικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε ΤΕΓ, αλλά έχει χρησιμοποιηθεί σε σχετικές δημοσιεύσεις μόνο σε μορφή φιλμ, ως επικάλυψη ή ως εσωτερική στρώση σε κλωστοϋφαντουργικά υλικά, αποτελώντας έτσι διαφορετικό σώμα. Τέλος, τα συμπεράσματα και οι προτεινόμενοι τομείς για περαιτέρω έρευνα παρουσιάζονται στην τελευταία ενότητα της διατριβής. Θα ήταν πολύτιμο να παραχθούν δείγματα υφασμάτων βασισμένα σε διαφορετικά σχέδια πλέξης, ύφανσης ή ακόμα και μη-υφαντών για την ταυτοποίηση των βέλτιστων δομών υφασμάτων για χρήση στις κλωστοϋφαντουργικές ΤΕΓ. Ιδιαίτερα όσον αφορά στα παρα-αραμιδικά και PTFE υλικά, το γεγονός ότι έχουν εξαιρετική δυναμική για χρήση σε κλωστοϋφαντουργικές ΤΕΓ, χρήζουν περαιτέρω έρευνας. Επιπλέον, το δέρμα είναι ένα υποσχόμενο υλικό με ελκυστική αισθητική, και με τις τριβοηλεκτρικές τάσεις που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή να αποτελούν την αρχή της μελέτης του. Τέλος, μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να περιλαμβάνει την αξιολόγηση της απόδοσης των υφασμάτων της κλωστοϋφαντουργικής ΤΕΓ υπό ηλεκτρικά φορτία ή την εξέταση της απόδοσης υφασμάτων με διαφορετικά πάχη. Πρέπει να σημειωθεί ότι πριν από την έναρξη αυτής της διδακτορικής μελέτης, προηγήθηκαν Μεταπτυχιακές σπουδές με τίτλο «Ηλεκτρικές και Ηλεκτρονικές Επιστήμες μέσω Έρευνας» στον ίδιο πεδίο. Έτσι, υπήρχε ήδη μια αρχική γνωριμία και εξοικείωση με το ερευνητικό αντικείμενο. Επιπλέον, θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η διδακτορική μελέτη υποστηρίχθηκε από το Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής. [ΕΛΚΕ, Ειδικός Λογαριασμός Κονδυλίων Έρευνας, 80993/71311].