Papel magnetostrictivo negativo formado pela dispersão de partículas de CoFe2O4 em nanofibrilas de celulose

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6144 (2023) Cite este artigo

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Os polímeros são frequentemente combinados com materiais magnetostritivos para aumentar sua tenacidade. Este estudo relata um papel composto à base de nanofibrilas de celulose (CNF) contendo partículas dispersas de CoFe2O4 (CNF–CoFe2O4). Além de conferir magnetização e magnetostricção, a incorporação de partículas de CoFe2O4 diminuiu a resistência à tração final e aumentou o alongamento de fratura do papel compósito CNF-CoFe2O4. O CNF foi responsável pelas propriedades de tração do papel composto CNF-CoFe2O4. Consequentemente, as propriedades magnéticas e magnetostrictivas e as propriedades de tração do papel composto CNF-CoFe2O4 podem ser controladas alterando a proporção da mistura de partículas CNF e CoFe2O4.

Para aliviar a crise global de energia e a poluição ambiental, muitos pesquisadores estão explorando tecnologias alternativas de energia que coletam energia do ambiente (por exemplo, vibrações mecânicas)1,2,3. Quando o fornecimento de energia ambiente é limitado, os dispositivos de coleta de energia piezoelétrica geram energia suficiente para dispositivos direcionados, como sensores da Internet das Coisas4. Para este fim, materiais piezoelétricos, compósitos e dispositivos foram ativamente pesquisados5,6,7,8,9,10,11 e seus desempenhos de coleta de energia de vibração foram avaliados.

Materiais magnetostritivos podem se deformar sob um campo magnético externo12. O efeito magnetostrictivo foi descrito pela primeira vez por James Prescott Joule em 184213. Ele relatou que o ferro, um material ferromagnético, muda de dimensão em resposta a um campo magnético. Desde então, os pesquisadores desenvolveram vários materiais magnetostritivos, como ligas Tb-Dy-Fe (terfenol-D), ligas Fe-Ga (galfenol), ligas Fe-Co e CoFe2O4 (ferritas de cobalto)14,15,16,17 ,18. Materiais magnetostrictivos, compósitos e dispositivos também estão atraindo atenção no campo de coleta de energia19,20,21,22,23,24. Terfenol-D e galfenol são ligas magnetostritivas gigantes bem conhecidas, apresentando boas propriedades magnetostritivas à temperatura ambiente, mas são frágeis e caras1,16.

Para superar a fragilidade dos materiais magnetostritivos, muitos pesquisadores dispersaram partículas magnetostritivas através de uma matriz polimérica, formando compósitos poliméricos magnetostritivos (MPCs)25. Sob um campo magnético externo, as partículas magnetostrictivas se deformam e exercem uma força sobre a matriz polimérica, deformando todo o compósito. O equilíbrio é alcançado equilibrando as tensões geradas nas partículas magnetostritivas e na matriz polimérica, resultando na deformação geral do MPC. Os MPCs são potencialmente aplicáveis ​​à detecção de corrente e tensão, amortecimento de vibração, atuação, monitoramento de integridade e aplicações biomédicas. Além disso, são mais fáceis de fabricar para a geometria necessária do que as ligas magnetostrictivas gigantes mencionadas acima. Estudos anteriores sobre MPCs relataram partículas de terfenol-D26 e partículas de galfenol27 dispersas através de uma matriz de resina epóxi (terfenol-D/epoxi e galfenol/epoxi compostos, respectivamente), partículas de liga Fe-Co dispersas através de uma matriz de poliuretano (Fe-Co/PU compósitos)28 e vários outros29,30. Valores positivos de magnetostricção de 1600, 360 e 70 ppm foram relatados em terfenol-D/epoxi, galfenol/epoxi e Fe–Co/PU, respectivamente. No entanto, os MPCs com efeito magnetostrictivo negativo foram investigados apenas em pequeno grau. Nersessian et al.31 relataram magnetostricções de saturação de - 24 e - 28 ppm em compósitos ocos e sólidos de níquel, respectivamente. Da mesma forma, Ren et al.32 relataram magnetostricção negativa em compósitos pseudo-1-3 Sm0.88Dy0.12Fe1.93 ligados por polímero.

Recentemente, os dispositivos baseados em papel e celulose ganharam cada vez mais atenção33 porque o papel é de baixo custo (~ 0,005 $/m2), biocompatível, ecológico, 100% reciclável e mais elástico do que outros dispositivos flexíveis baseados em polímero34. A fibra de celulose é barata, de base biológica, biodegradável, não perigosa, reciclável e de baixa densidade35. As nanofibrilas de celulose (CNFs), em particular, apresentam excelente resistência, rigidez e tenacidade36 e espera-se que sejam utilizadas como fibras de reforço37,38,39,40,41,42,43.