PT3096368T

PT3096368T - Uma estrutura de fio compósito

Info

Publication number: PT3096368T
Application number: PT151690450T
Authority: PT
Inventors: Cobanoglu Özgür; Iyidogan Deniz; Akdemir Özgür
Original assignee: Sanko Tekstil Isletmeleri San Ve Tic As
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2017-10-04
Also published as: US20180151795A1; JP2018521501A; PL3298634T3; EP3096368B1; PT3298634T; EP3298634B1; US11437562B2; EP3298634A1; WO2016188853A1; JP6952607B2; HK1250839B; DK3096368T3; PL3096368T3; ES2746298T3; BR112017024870B1; BR112017024870A2; DK3298634T3; CN107896497B; EP3096368A1; ES2642098T3

Description

DESCRIÇÃO UMA ESTRUTURA DE FIO COMPÓSITO

[0001] A presente invenção diz respeito a uma estrutura de fio compósito, em particular a uma estrutura de fio piezoelétrico nos campos da engenharia de construção têxtil e de fisica de dispositivos flexiveis.

[0002] A piezoeletricidade é a carga elétrica gerada em certos materiais em resposta a uma tensão mecânica aplicada. Em geral, os materiais piezoelétricos desenvolvem potencial elétrico através de camadas definidas de material na pressão, tensão ou pulsos ou a suas combinações.

[0003] 0 efeito piezoelétrico é reversivel, i.e. os materiais nos quais é gerada uma carga elétrica a partir de uma tensão mecânica aplicada também exibem a geração interna de uma tensão mecânica resultante de um campo elétrico aplicado. Os fenómenos piezoelétricos são conhecidos e têm sido estudados ao longo de mais de um século.

[0004] Os dispositivos piezoelétricos são utilizados em muitos domínios técnicos, por exemplo em válvulas e para colher energia e para aplicações de sensoriamento. Em particular, a colheita de energia em têxteis tem sido ativamente investigada; com esta finalidade foram fornecidos fios piezoelétricos.

[0005] WO 2014/161920 divulga um método para produzir uma fibra piezoelétrica e piroelétrica, em que a fibra tem um material nuclear que compreende um compósito termoplástico flexível eletricamente condutor que compreende pelo menos um polímero e pelo menos um preenchedor condutor. Esta fibra compreende um material circundante feito de um polímero permanentemente polarizável.

[0006] Deste modo esse documento divulga um fio tendo um centro condutor circundado por um polimero no qual o referido fio alcança caracteristicas piezoelétricas.

[0007] O fio piezoelétrico pode ainda ser enrolado em conjunto com um fio condutor.

[0008] O documento EP 0187829 BI divulga uma estrutura de cabo que permite uma resposta piezoelétrica sensivel num cabo coaxial piezoelétrico. Com esta finalidade, o cabo coaxial tem um núcleo polimérico condutor que compreende um material polimérico no qual são providas partículas condutoras, uma camada de polímero piezoelétrico que circunda o núcleo polimérico condutor, e um condutor externo que circunda a camada de polímero piezoelétrico. O cabo também é provido com uma capa protetora.

[0009] GB 2516987 divulga um tecido tendo uma estrutura espaçadora tridimensional, que compreende um material piezoelétrico atuando como um espaçador entre camadas de tecido ou malha, para colher energia através da conversão de energia mecânica em energia elétrica. As camadas de tecido compreendem fibras condutoras, enquanto os fios espaçadores piezoelétricos interconetores compreendem fibras piezoelétricas, que podem ser monofilamentos e/ou multifilamentos. Em alternativa, as primeira e segunda camadas podem compreender materiais de tecido sólido ou semelhante a películas.

[0010] Um outro exemplo de estado da técnica pode ser encontrado em US6271621. Um problema comum dos tecidos piezoelétricos conhecidos é o da intensidade do efeito piezoelétrico ser limitado. De modo a aumentar a colheita de energia, vários estudos estão a ser levados a cabo em estruturas de tecido que podem melhorar o montante de energia gerada.

[0011] A presente invenção tem por objetivo aumentar a produção de energia num tecido compreendendo fios piezoelétricos.

[0012] Um outro objetivo da invenção é fornecer um fio piezoelétrico com efeito piezoelétrico aumentado.

[0013] Estes e outros objetivos são alcançados por uma estrutura de fio tendo as caracteristicas mencionadas na reivindicação 1.

[0014] De um modo geral, a invenção diz respeito a uma estrutura de fio compósito tendo um primeiro elemento compreendendo um monofilamento bicomponente flexivel coaxial incluindo um componente condutor e um componente termoplástico exibindo propriedades piezoelétricas; pelo menos um segundo elemento condutor disposto à volta de pelo menos parte do primeiro elemento para prover um fio piezoelétrico, caracterizado por o referido fio piezoelétrico ter propriedades auxéticas.

[0015] Formas de realização preferenciais são objeto de reivindicações dependentes.

[0016] Com maior detalhe, a invenção diz respeito a uma estrutura de fio compósito tendo: um primeiro elemento compreendendo um monofilamento bicomponente flexivel coaxial incluindo um componente condutor e um componente termoplástico exibindo propriedades piezoelétricas, pelo menos um segundo elemento enrolado à volta do primeiro elemento, em que o segundo elemento tem uma elasticidade inferior em relação à elasticidade do primeiro elemento de tal modo que, no alongamento da estrutura do fio numa primeira direção, a estrutura do fio expande numa segunda direção, pela qual os tamanhos do fio são aumentados nas primeira e segunda direções para gerar uma força adicional no referido componente piezoelétrico do primeiro elemento.

[0017] O segundo elemento é um elemento condutor ou compreende um elemento condutor para prover o efeito piezoelétrico requerido. 0 segundo elemento pode ser inelástico, i.e. pode ter uma capacidade de esticar limitada (alongamento) , inferior às propriedades de esticamento (alongamento) do primeiro elemento; por outras palavras, o segundo elemento não alonga ou alonga muito pouco.

[0018] O comportamento do fio é comparável a ou é o mesmo do comportamento de um fio auxético; o constrangimento contra alongamento provido pelo segundo elemento tendo uma elasticidade baixa, ou por outras palavras, elevada rigidez obriga o primeiro elemento a expandir transversalmente na direção do alongamento, dobrando e torcendo à volta do segundo elemento esticado. Por outras palavras, numa condição não esticada do fio compósito da presente invenção a forma do primeiro elemento tem uma forma substancialmente retilínia; o segundo elemento está enrolado em volta do primeiro elemento retilíneo numa hélice.

[0019] No esticamento, o segundo elemento é levado a uma forma substancialmente ou quase retilínea, ao longo da direção de esticamento - alongamento; quando o segundo elemento tiver sido puxado para uma condição substancialmente retilínea, não pode ser mais esticado devido às suas propriedades inelásticas, i.e. porque o segundo elemento não pode ser alongado do mesmo modo que o primeiro elemento. Esta mudança de estado do segundo elemento, não elástico do fio da presente invenção obriga o primeiro elemento elástico a mudar da sua forma retilínea inicial para uma condição helicoidal/sinusoidal na qual o primeiro elemento está enrolado à volta do segundo elemento. 0 resultado é um aumento nos tamanhos globais do fio, nomeadamente da largura do fio global; pode então dizer-se que o fio compósito tem propriedades auxéticas.

[0020] A invenção fornece uma nova classe de estruturas de fio que podem criar, por meio de uma combinação de um efeito piezoelétrico e auxético, uma diferença de potencial elétrico ampliado entre dois condutores.

[0021] Outro objeto da invenção é um artigo que explora essa combinação de efeitos piezoelétricos e auxéticos para aumentar a diferença de potencial elétrico criado no artigo. Artigos exemplificativos são tecidos, peças de vestuário, roupas e cordas.

[0022] Outro objeto da invenção é fornecer um fio têxtil e um tecido incluindo esses fios têxteis que podem ser empregados em aplicações tais como sensores têxteis.

[0023] Os materiais auxéticos são conhecidos desde finais dos anos 80. Os materiais auxéticos são materiais que ficam mais espessos e/ou largos ao longo de uma primeira direção, no esticamento ao longo de uma segunda direção perpendicular à primeira direção, contrariamente a muitos materiais comuns. O comportamento oposto também é conhecido, nomeadamente estreitamento na pressão, em vez de se tornar mais largo como é esperado de materiais comuns.

[0024] Os tecidos auxéticos têm sido empregues num número limitado de utilizações especificas, tal como sensores, filtros e fitas inteligentes. Como mencionado, um efeito da invenção é que quando a estrutura de fio é sujeita a uma força atuando numa direção axial, toda a estrutura também expande numa direção transversal, dando origem a um efeito auxético.

[0025] Como a estrutura de fio é piezoelétrica, a combinação das propriedades de auxeticidade e de piezoeletricidade num único fio, aumentam a pressão produzida no material piezoelétrico por efeito da expansão do fio, então a diferença de potencial elétrico gerado é aumentada.

[0026] De acordo com uma forma de realização exemplificativa da invenção, no alongamento da estrutura de fio numa primeira direção, o segundo elemento é esticado até uma posição quase retilínea e deforma o primeiro elemento de modo a formar o primeiro elemento numa maneira helicoidal na segunda direção, à volta do primeiro elemento.

[0027] Um efeito desta forma de realização é que quando a estrutura de fio é utilizada num tecido, o efeito auxético aumenta a largura de todos os fios piezoelétricos presentes no tecido, um fenómeno que produz pressão adicional através de todos os componentes piezoelétricos, levando a um potencial desenvolvimento adicional entre os respetivos condutores.

[0028] Outro aspeto da invenção fornece um tecido têxtil compreendendo uma pluralidade de estruturas de fio compósito, em que as referidas estruturas de fio compósito compreendem: um primeiro elemento compreendendo um monofilamento bicomponente flexivel coaxial incluindo um componente condutor e um componente termoplástico exibindo propriedades piezoelétricas, um segundo elemento enrolado à volta do primeiro elemento, em que o segundo elemento é um elemento condutor ou compreende um elemento condutor e tem uma elasticidade inferior em relação à elasticidade do primeiro elemento de tal modo que, no alongamento da estrutura de fio numa primeira direção, a estrutura de fio expande numa segunda direção, pela qual os tamanhos do fio são aumentados tanto nas primeira e segunda direções para gerar uma força adicional no referido componente piezoelétrico do primeiro elemento.

[0029] A direção na qual o primeiro elemento expande está angulada à e pode ser substancialmente perpendicular à primeira direção, de acordo com uma forma de realização exemplificativa.

[0030] A invenção será agora descrita com maior detalhe, a titulo de exemplo, com referência às figuras acompanhantes, exemplificativas e não limitativas, em que numerais semelhantes denotam elementos semelhantes, e nos quais:

As figuras IA e 1B mostram uma estrutura de fio compósito de acordo com uma primeira forma de realização da invenção numa primeira configuração (IA) e numa segunda configuração (1B) ; A Figura 2 é uma secção ao longo do plano A-A da estrutura da Figura IA. A Figura 3 é uma vista de secção das estrutura de fio que exibe apenas piezoeletricidade; A Figura 4 é uma vista de secção de uma estrutura de fio que exibe piezoeletricidade e propriedades auxéticas; A Figura 5 mostra uma porção de um tecido compreendendo uma pluralidade de estruturas de fio compósito de acordo com uma forma de realização da invenção; A Figura 6 mostra uma curva representando um potencial elétrico através de um resistor de terminação com valor arbitrário, através de elétrodos, como uma função de uma força aplicada à estrutura de fio na configuração da Figura IA; A Figura 7 mostra uma curva representando um potencial elétrico através de um resistor de terminação com valor arbitrário, através de elétrodos, como uma função de uma força aplicada à estrutura de fio na configuração da Figura 1 B; e A Figura 8 mostra uma curva representando um potencial elétrico através de um resistor de terminação com valor arbitrário, através de elétrodos, como uma função de forças aplicadas ao tecido da Figura 5.

[0031] A Figura IA mostra uma forma de realização da estrutura de fio compósito 10, de acordo com a invenção, em duas configurações diferentes.

[0032] A estrutura de fio compósito 10 compreende um primeiro elemento 15 compreendendo um monofilamento bicomponente flexivel coaxial incluindo um componente condutor 20 e um componente termoplástico 30 exibindo propriedades piezoelétricas. Como é visível nas Figuras 1- 2, numa forma de realização da invenção, o componente termoplástico 30 rodeia o componente condutor 10.

[0033] Materiais apropriados para o componente condutor 20 são misturas de polietileno de baixa densidade (PEBD) ou polietileno de alta densidade (PEAD) com nanotubos de carbono (NTCs) , grafite, nanofolhas de grafeno, negro de carbono (carbono amorfo) , polianilina (dopada), polipirrol (dopado).

[0034] Materiais apropriados para o componente termoplástico 30 são homopolimero de fluoreto de polivinilideno (PVDF) e os seus copolímeros com trifluoroetileno P(VDF-co-TrFE) ou tetrafluoroetileno P(VDF-co-TFE), poliamidas em números impares (PA) tais como PA5, PA7, PAI1 e assim por diante.

[0035] Como mencionado anteriormente, os componentes 20 e 30, formando o primeiro elemento 15, têm propriedades elásticas e podem ser alongados.

[0036] A estrutura de fio compósito 10 compreende ainda um segundo elemento 40 enrolado à volta do primeiro elemento 15. O segundo elemento 40 tem uma resistência à tração superior à resistência à tração do primeiro elemento 15. Além disso, o segundo elemento 40 tem uma elasticidade inferior em relação à elasticidade do primeiro elemento 15 ou, por outras palavras, uma maior rigidez em relação à rigidez do primeiro elemento 15.

[0037] A Figura IA mostra a disposição do fio compósito da invenção numa condição não esticada; nesta condição, o primeiro elemento 15 estende numa direção substancialmente retilínea e o segundo elemento 40 é enrolado à volta do primeiro elemento 30 para prover uma pluralidade de rotações. A diferença na elasticidade entre os primeiro e segundo elementos é tal que, no esticamento e alongamento da estrutura do fio 10 numa primeira direção (ver fig. 1B), i.e. na direção do eixo do primeiro elemento, a forma inicial da estrutura 10 é deformada pelo movimento do segundo elemento 40; nomeadamente a estrutura do fio expande numa segunda direção que é angulada ou substancialmente perpendicular à primeira direção, i.e. à direção de alongamento do fio, correspondente à direção da seta F nas figuras 1 e 2.

[0038] Este fenómeno resulta na geração de uma força adicional no referido componente piezoelétrico 30 do primeiro elemento 15.

[0039] No alongamento da estrutura de fio 10, o segundo elemento 40 é substancialmente alinhado com a direção de alongamento e o primeiro elemento 15 expande ao formar uma série de curvas à volta do segundo elemento 40. Essas curvas são anguladas em relação à direção de alongamento por um ângulo α compreendido entre 30° e 90°, de preferência 30° a 80°, como mostrado na Figura 1B.

[0040] Como é do conhecimento dos peritos na técnica, uma possivel forma de medir a elasticidade é utilizar o módulo de Young, também conhecido como o módulo de tensão ou módulo de elasticidade, nomeadamente uma medida da dureza de um material elástico definido como o rácio da pressão (força por área unitária) ao longo de um eixo à tensão (rácio de deformação sobre comprimento inicial) ao longo desse eixo no intervalo de tensão no qual a lei de Hooke se baseia. A lei de Hooke, como é conhecida no estado da arte, estabelece que a força necessária para estender ou comprimir um material em alguma distância é proporcional a essa distância.

[0041] Em geral, numa forma de realização preferencial a resistência à tração do primeiro elemento está no intervalo de 15 - 78 MPa. A resistência à tração do segundo elemento está de preferência no intervalo de 0,5 - 2,0 GPa. A diferença em resistência à tração do segundo para o primeiro elemento é de pelo menos 422 MPa. A resistência à tração é medida de acordo com a ASTM D638. Outros métodos de medir a resistência à tração podem ser utilizados.

[0042] Materiais apropriados para o segundo elemento são fios de poliéster/poliamida revestidos com prata/cobre ou fios filamentosos inteiramente metálicos e.g. feitos de aço.

[0043] De acordo com uma forma de realização exemplificativa da invenção, o segundo elemento 40 pode ser feito de pelo menos um filamento metálico.

[0044] Deste modo, a estrutura de fio compósito 10 divulgada pode ser utilizada como um sensor com fio piezoelétrico flexivel que também exibe caracteristicas auxéticas, de modo a maximizar o seu desempenho quando utilizado numa construção de tecido ou noutro artigo feito de fios.

[0045] Mais detalhadamente, como visto na Figura 1, quando a estrutura de fio compósito 10 é sujeita a uma força F maior do que zero numa direção longitudinal, e.g. ao longo do eixo, do fio compósito, ocorre uma transformação de forma da estrutura de fio compósito 10. Nomeadamente a estrutura 10 é alongada por um comprimento L mas, ao mesmo tempo, a estrutura 10 expande transversalmente numa direção perpendicular ou angular em relação à direção da força F. Como é visivel nas figuras, o fio aumenta a sua largura global após ser esticado pela força F, começando desde uma largura inicial de X e alcançando uma largura mais larga de X + Y.

[0046] Por outras palavras, na estrutura de fio compósito 10, no alongamento da estrutura de fio 10 numa primeira direção, o segundo elemento 40 alonga e, ao mesmo tempo, estiva o primeiro elemento 15 de modo a formar o primeiro elemento 15 de um modo quase sinusoidal na segunda direção. Por outras palavras, o fio expande transversalmente.

[0047] Deste modo a aplicação da força F à estrutura de fio compósito 10 leva a um desenvolvimento de potencial elétrico ampliado entre o componente condutor 20 do primeiro elemento 15 e o segundo elemento 40. Esse potencial elétrico pode ser colhido por um circuito externo (não representado para simplificar), e.g. em aplicação tal como sensores.

[0048] Considerando uma estrutura de tecido compreendendo uma pluralidade de estruturas de fio compósito 10 como descrita acima, um efeito sinergético piezoauxético em todo o tecido também pode ser conseguido se pelo menos dois fios compósitos da invenção estiverem adjacentes um ao outro, i.e. estiverem suficientemente próximos para serem mutuamente influenciados pela etapa de expansão.

[0049] Uma estrutura exemplificativa tal como aquela descrita acima é representada na Figura 5.

[0050] Esse efeito sinergético piezoauxético no tecido é criado por dois componentes como descrito abaixo. O primeiro efeito é o facto de a estrutura de fio 10 exibir caracteristicas piezoelétricas graças à pressão transversa através do material piezoelétrico criada no esticamento, por exemplo ao aplicar a força F.

[0051] O segundo efeito é que esta pressão é exponencialmente mais alta dentro de um tecido em comparação com um único fio da mesma estrutura, graças ao facto de todos os fios piezoelétricos que formam o tecido ficarem mais largos, um fenómeno que produz pressão adicional através de todos os componentes piezoelétricos, levando a um potencial desenvolvimento adicional entre os respetivos condutores.

[0052] Em qualquer caso, a estrutura de fio compósito 10 pode criar uma diferença potencial aumentada entre dois condutores por piezoeletricidade e exibir um rácio de Poisson negativo, no esticamento, pelo qual o rácio de Poisson é definido como a percentagem de expansão dividida pela percentagem de compressão em direção transversal de um material.

[0053] Dentro de uma estrutura de tecido ou uma estrutura de corda, o fio compósito da invenção, 10, ao utilizar as suas caracteristicas auxéticas, produz uma diferença de potencial elétrico aumentado devido a forças adicionais originadas do facto de fibras individuais experienciarem uma pressão transversa aumentada em comparação com fios que são piezoelétricos mas não auxéticos dentro da mesma estrutura de tecido.

[0054] Estas forças adicionais têm diferentes direções, deste modo, diferentes constantes piezoelétricas estão em utilização, tais como d33, nomeadamente a mudança de volume quando o material piezoelétrico é sujeito a um campo elétrico, em vez de d31.

[0055] Como é conhecido as constantes piezoelétricas, também conhecidas como coeficientes de piezoeletricidade, quantificam a mudança de volume quando um material piezoelétrico é sujeito a um campo elétrico, ou a sua polarização na aplicação de uma tensão.

[0056] Nas várias formas de realização da invenção, uma porção dos estímulos de tensão traduzem-se em estímulos transversos dentro de uma construção de tecido devido a auxeticidade.

[0057] Isto significa que os estímulos físicos mudam a direção, o que por seu lado pode significar que um conjunto de coeficiente piezoelétrico diferente é utilizado para gerar potência elétrica.

[0058] Uma comparação esquemática visual entre uma estrutura de fio que exibe apenas piezoeletricidade (Figura 3) com uma estrutura de fio que exibe piezoeletricidade e propriedades auxéticas (Figura 4) é deste modo fornecida.

[0059] Na figura 3 não há auxeticidade, a constante piezoelétrica utilizada é apenas dl que é uma constante de colheita de energia dada pela fórmula dl = Vl/Fl, em que VI é o potencial elétrico gerado e F1 é a força longitudinal (Figura 3) .

[0060] Quando o primeiro elemento 15, i.e. o elemento bicomponente, também é sujeito a uma pressão em direção ao seu centro, então outra constante piezoelétrica intervém como uma adição, nomeadamente d2 dada pela fórmula d2 = Vl/Fl + V2/F2, em que VI e V2 são potenciais elétricos gerados, F1 é a força longitudinal e F2 é uma força perpendicular a F1 (Figura 4).

[0061] No caso de estruturas de tecido ou corda (tais como a representada na Figura 5) que são feitas com uma pluralidade de estruturas de fio, de acordo com as várias formas de realização da invenção, uma força F3 adicional pode ser definida.

[0062] A força F3 define, além das forças FI e F2, outro fator de ganho adicional quando o fio está incorporado dentro de um tecido ou numa corda.

[0063] Dado que cada fio fica mais largo devido ao seu comportamento auxético, a força F2 na Figura 4 aumenta mais do que no caso de um fio isolado.

[0064] Nesse caso, a força local atuando sobre o componente piezoelétrico 30 aumenta para um valor de F2+F3.

[0065] 0 valor F3 representa o valor da força originada do facto de fios vizinhos na estrutura do fio ou tecido, que também pode ser auxética, exercerem forças adicionais uns contra os outros resistindo ao seu alargamento devido ao efeito auxético.

[0066] Este fenómeno pode aumentar a pressão global no material piezoelétrico do componente 30. Dentro de um certo intervalo, este fenómeno auxilia na obtenção de mais eficiência global do fio final como um sensor de tensão.

[0067] Um outro parâmetro a ter em consideração pode ser o ângulo de torção do segundo elemento 40, que define o número de rotações por comprimento de unidade de todo o fio. O ângulo de torção é definido e.g. pela suavidade do bicomponente central e pode ser calibrado em conformidade: se o número de rotações é mais do que o necessário, então o comportamento auxético não estará presente porque o bicomponente central terá suficiente resistência mecânica contra ser dobrado.

[0068] Como regra geral, e com referência à Figura 1, o número de rotações deve ser suficiente para cobrir o comprimento LI da estrutura de fio 10 numa configuração não alongada e permitir alcançar o comprimento Ll + L quando a estrutura de fio está numa configuração alongada. Se o número de rotações é menor do que o necessário, então o coeficiente d2 não terá um termo adicional significativo, deste modo, o ganho adicional não será tão elevado como poderia ser de outro modo.

[0069] Tendo em consideração a espessura da camada piezoelétrica, a sua espessura está usualmente dentro do intervalo de algumas centenas de nanómetros a algumas centenas de micrómetros radialmente, nomeadamente 100 nm a 800 mm como medidos radialmente tendo como centro o centro do primeiro elemento bicomponente.

[0070] Numa forma de realização da invenção, podem ser utilizados segundos elementos adicionais, desde que os segundos elementos adicionais sigam estritamente o caminho do segundo elemento condutor 40 de modo a não destruir a geometria do fio requerida para criar o fenómeno de auxeticidade.

[0071] Por outras palavras, todos os segundos elementos de torção opcionais devem estar em fase ou sincronizados uns com os outros. Para criar essa estrutura de filamento alternativa, o segundo elemento condutor 40 e todos os segundos elementos adicionais possíveis devem ser enrolados primeiro para criar um feixe de filamento de enrolamento; o feixe de filamento de torção é depois enrolado à volta do elemento bicomponente central 15. Os segundos elementos adicionais opcionais podem ser condutores ou isolantes.

[0072] As simulações foram realizadas nas várias formas de realização da invenção.

[0073] O resultado dessas simulações será deste modo explicada com particular referência às Figuras 6-8.

[0074] A figura 6 mostra uma curva V representando potencial elétrico como uma função da força F aplicada à estrutura de fio na configuração da Figura IA; no caso da Figura 6, uma força F relativamente pequena é aplicada à estrutura de fio 10, deixando-a substancialmente na configuração representada na Figura IA. Deste modo nenhuma deformação auxética significativa está presente.

[0075] Na Figura 6, a curva F representa (não em escala) a força aplicada à estrutura de fio 10 e a curva V o potencial elétrico devido ao efeito piezoelétrico que permite uma distribuição potencial suave do tipo Landau ao longo do tempo. É de notar também que a forma da curva potencial não está distorcida.

[0076] Em contraste, a Figura 7 mostra uma curva V' representando potencial elétrico como uma função de uma força mais forte (curva F') aplicada à estrutura de fio na configuração da Figura 1B. Neste caso, devido ao fenómeno de auxeticidade um desenvolvimento de potencial elétrico adicional (curva V') é gerado e é adicionado àquele representado na Figura 6.

[0077] Além disso, na Figura 7 o desenvolvimento temporal do potencial elétrico é diferente do caso sem fenómeno auxético, bem como diferente da intensidade de potencial, ambos os fenómenos levando a uma distorção na forma do desenvolvimento do potencial elétrico. Também é de notar que as áreas sob as quais as curvas V e V' representam a potência energética total gerada, que é mais elevada no caso da Figura 7.

[0078] Finalmente, a Figura 8 mostra uma curva V" representando um potencial elétrico como uma função de forças (curva F") aplicadas quando a estrutura de fio está embebida no tecido da Figura 5.

[0079] Neste caso, uma pluralidade de estruturas de fio é incorporada dentro de uma construção de tecido ou uma corda ou estrutura têxtil semelhante em que cada estrutura de fio experiencia o efeito de fios auxéticos vizinhos e a pressão criada por esses fios vizinhos. Este fenómeno distorce também a forma de potencial elétrico (curva V") porque um terceiro componente da força, nomeadamente F3, é experienciado pelas estruturas de fio. Uma combinação ponderada dos coeficientes piezoelétricos está em utilização.

[0080] A área sob a curva V" é ainda aumentada, levando a uma produção energética aumentada para uma dada força fixa F", que por seu turno significa mars eficiência.

[0081] Na estrutura de fio compósito 10, o componente condutor 20 do primeiro fio 10 pode ser de um material condutor elástico. Como exemplo, o material condutor elástico do componente condutor 20 do primeiro elemento 10 pode ser um polímero incluindo impurezas metálicas condutoras. Por exemplo, essas impurezas metálicas condutoras podem ser feitas de prata ou cobre.

[0082] Como alternativa, o material condutor elástico do componente condutor 20 do primeiro elemento 15 pode ser um polímero intrinsecamente condutor. Por exemplo, esses polímeros intrinsecamente condutores podem ser polianilina (PANI) ou polipirrol (PPy). O componente termoplástico da estrutura de fio compósito 10 pode ser feito de fluoreto de polivinilideno (PVDF) ou de qualquer outro polímero termoplástico apropriado.

[0083] De modo a criar uma fase piezoelétrica no polimero termoplástico, os componentes coaxiais tirados são polarizados sob um campo elétrico forte após aquecimento para alinhar a cadeia do polimero termoplástico. Um rácio de tiragem ótimo pode ser escolhido para realizar a tiragem, na ausência de um campo elétrico, dos componentes coaxiais de modo a impor a fase piezoelétrica no polimero termoplástico.

[0084] As aplicações possiveis da estrutura de fio da invenção são, entre outras, i) tecnologia de sensores usável para monitorização de posição corporal em forma de tecido e ii) monitorização de tensão de cordas utilizadas numa variedade de áreas desde escalada de montanhas até aplicações maritimas pesadas.

[0085] Em algumas formas de realização da invenção, o componente termoplástico 30 pode ter propriedades auxéticas per se, além do efeito auxético dado a toda a estrutura de fio 10 pelo segundo elemento 40.

[0086] Apesar de pelo menos uma forma de realização exemplificativa ter sido apresentada no resumo e descrição detalhada anteriores, é de notar que existe um vasto número de variações. Também é de notar que a forma de realização exemplificativa ou formas de realização exemplificativas são meros exemplos, e não pretendem de nenhum modo limitar o objeto, aplicabilidade, ou configuração.

[0087] Pelo contrário, o resumo e descrição detalhada anteriores fornecerão aos peritos na técnica com um roteiro para implementar pelo menos uma forma de realização exemplificativa, estando entendido que várias mudanças podem ser feitas na função e disposição dos elementos descritos numa forma de realização exemplificativa sem se distanciar do objeto como definido nas reivindicações apensas e os seus equivalentes legais.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Uma estrutura de fio compósito (10) tendo um primeiro elemento (15) compreendendo um monofilamento bicomponente flexivel coaxial incluindo um componente condutor (20) e um componente termoplástico (30) exibindo propriedades piezoelétricas; e pelo menos um segundo elemento condutor (40) disposto à volta de pelo menos parte do primeiro elemento (15) para prover um fio piezoelétrico (10), caracterizado por tanto o componente condutor (20) como o componente termoplástico (30) que formam o primeiro elemento (15) terem propriedades elásticas e poderem ser alongados de tal forma que o referido fio piezoelétrico (10) exibe propriedades auxéticas.
2. Uma estrutura de fio compósito (10) de acordo com a reivindicação 1, compreendendo: um primeiro elemento (15) compreendendo um monofilamento bicomponente flexivel coaxial incluindo um componente condutor (20) e um componente termoplástico (30) exibindo propriedades piezoelétricas, - pelo menos um segundo elemento (40) enrolado à volta do primeiro elemento (15) , em que o segundo elemento (40) tem uma elasticidade inferior em relação à elasticidade do primeiro elemento (15) de tal modo que, no alongamento da estrutura de fio (10) numa primeira direção, a estrutura de fio (10) expande numa segunda direção, pela qual os tamanhos do fio são aumentados nas primeira e segunda direções para gerar uma força adicional no referido componente piezoelétrico do primeiro elemento.
3. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com a reivindicação 2, em que o referido segundo elemento (40) é um elemento condutor ou compreende um elemento condutor.
4. A estrutura de fio compósito da reivindicação 3, em que no alongamento da estrutura de fio (10) na referida primeira direção, o segundo elemento (40) forma o primeiro elemento (15) de modo a prover um efeito auxético.
5. A estrutura de fio compósito da reivindicação 4, em que o referido segundo elemento forma o primeiro elemento (15) numa hélice à volta do referido segundo elemento.
6. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o componente condutor (20) do primeiro elemento (15) é feito de um material condutor elástico.
7. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com a reivindicação 6, em que o material condutor elástico do componente condutor do primeiro elemento (15) é um polímero incluindo impurezas metálicas condutoras.
8. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com a reivindicação 6, em que o material condutor elástico do componente condutor do primeiro elemento (15) é um material escolhido de misturas de polietileno de baixa densidade (PEBD) ou polietileno de alta densidade (PEAD) com nanotubos de carbono (NTCs), grafite, nanofolhas de grafeno, carbono amorfo, polianilina dopada ou polipirrol dopado, ou suas combinações.
9. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com a reivindicação 6, em que o material condutor elástico do componente condutor do primeiro elemento (15) é um polímero intrinsecamente condutor.
10. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com a reivindicação 1, em que a resistência à tração do primeiro elemento (15) é compreendida no intervalo de 15 - 78 Mpa e a resistência à tração do segundo elemento (40) é compreendida no intervalo de 0,5 - 2,0 GPa.
11. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o componente termoplástico (30) compreende um material escolhido de homopolímero de fluoreto de polivinilideno (PVDF) e os seus copolímeros com trifluoroetileno P(VDF-co-TrFE) ou tetrafluoroetileno P(VDF-co-TFE) ou poliamidas em números ímpares (PA).
12. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o componente termoplástico (30) exibe propriedades auxéticas.
13. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que o segundo elemento (40) compreende uma pluralidade de filamentos, pelo menos um filamento sendo um filamento condutor, de preferência um filamento metálico.
14. A estrutura de fio compósito (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior, em que os referidos componentes do primeiro elemento (15) são coextrudados.
15. Um artigo compreendendo pelo menos uma estrutura de fio compósito (10) de acordo com qualquer reivindicação anterior.
16. Um artigo de acordo com a reivindicação 15, em que pelo menos dois fios de acordo com qualquer reivindicação 1 a 14 estão dispostos adjacentes um ao outro para se influenciarem uns aos outros ao serem alongados.
17. Um artigo de acordo com a reivindicação 15 ou 16, o referido artigo sendo selecionado de um tecido, uma peça de vestuário, roupas e uma corda.