Entwicklung piezoelektrisch wirksamer Sensorfasern auf Basis von Polyvinylidenfluorid

Sensoren sind Messfühler und wandeln nichtelektrische Größen in elektrisch auswertbare Größen um [Czi08]. In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Signalprozessoren zu einer steigenden Leistungsfähigkeit und Kompaktheit der Sensoren geführt [Mey07]. Ein Nutzer dieser Entwicklung ist unter anderem die Luftfahrtindustrie. Das Structural Health Monitoring (SHM) basiert auf der Integration und Vernetzung von Sensoren innerhalb der Bauteilstruktur. Es dient zur Überwachung des Zustands von Leichtbauteilen. Mit geeigneten Sensoren könnten von außen nicht sicht- oder detektierbare Schäden ermittelt werden. Somit könnte von der aktuell zeitbasierten Inspektion von beispielsweise Flugzeugen zu einer bedarfsorientierten Inspektion gewechselt werden [Mey07]. Des Weiteren ist denkbar, Materialüberschuss an den Bauteilen zu minimieren, da Sensoren die kritischen Stellen möglicherweise kontinuierlich überwachen könnten. Somit ermöglicht der Einsatz von SHM zugleich eine Reduktion der Wartungskosten und des Gewichtes [HBL+07]. „Monitoring“ ist die englische Bezeichnung für eine kontinuierliche Überwachung. Im Bereich der Medizintechnik existiert ein zum SHM analoges Konzept: das Patienten-Monitoring. Zur Gewährleistung einer besseren Medikation und medizinischen Versorgung werden Patientendaten vom Pflegepersonal regelmäßig erhoben [Kum10]. Das direkte und vor allem kontinuierliche Abgreifen von Daten mittels Sensoren entlastet das Personal und verbessert die Zustandsüberwachung des Patienten. Für das SHM werden strukturkonforme, integrierbare und beim Patienten- Monitoring minimal invasive Sensoren benötigt. Sensorfasern wären vor allem für technische Textilien, die Integration in Faserverbundwerkstoffe sowie Smart Textiles interessant [GV07]. Sie könnten sowohl in biegeschlaffen Textilien als auch in faserverstärkten Kunststoffen (FVK) eingesetzt werden. Ausgehend von diesem Bedarf ergibt sich die Frage, ob und wie Fasern bzw. Filamente sensorisch nutzbar gemacht werden können. Ein vielversprechendes Beispiel dafür ist das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF). Neben der hohen chemischen Stabilität, die sich auf den Fluoranteil des Materials zurückführen lässt, zeigen sich mögliche ferro-, pyro- und piezoelektrische Eigenschaften [Nal95, WHG88, BMC71, NW71]. Wegen der Analogie zur piezoelektrisch nutzbaren Sensorfolie aus PVDF [LM06] und wegen der Tatsache, dass dieses Polymer auch zu Fasern verarbeitet werden kann, wird PVDF als aussichtsreicher Werkstoff für die Herstellung von Sensorfasern betrachtet [SWS+10, WSS10, LH10, LH11]. Die potentiellen piezoelektrischen Eigenschaften des Polymers treten jedoch nur unter bestimmten Herstellungsbedingungen [Nal95, SWS+10] auf und können unter bestimmten Voraussetzungen nutzbar gemacht werden. Hieraus leitet sich die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit ab, die notwendigen Kenntnisse über Prozesse und resultierenden Effekte von piezoelektrisch wirksamen Sensorfasern, basierend auf PVDF, zu erarbeiten. In Abb. 1.1 sind einige mögliche zukünftige Anwendungen gezeigt.