Há vários métodos descritos na literatura sobre a forma como os piezoeletretos ou ferroeletretos podem ser fabricados, sendo que cada uma dessas técnicas apresenta suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, espumas de polipropileno (PP) são fáceis de serem processadas em grande escala aliada a um baixo custo de produção, entretanto, seu efeito piezoelétrico é dependente da temperatura, assim como não há um controle dos vazios internos durante sua fabricação, ocasionando uma heterogeneidade da geometria desses vazios. Por outro lado, em outros métodos as dimensões das cavidades podem ser controlada e polímeros termicamente mais estáveis podem ser utilizados, no entanto, a um maior custo de produção. Em relação aos métodos que visam a produção dos piezoeletretos, neste trabalho é apresentada uma nova técnica baseada em termo selagem e template de água para criar piezoeletretos com canais tubulares abertos. Este tipo de estrutura vazada foi inicialmente produzida pela laminação de filmes de etileno propileno fluorado (FEP) com o template de politetrafluoretileno (PTFE) entre eles, sendo o template descartado após a laminação, gerando resíduos. Com a substituição do template de PTFE pela água na etapa de produção dos novos piezoeletretos, foi possível eliminar o descarte de resíduos sólidos ao mesmo tempo em que um tratamento químico foi efetuado na superfície do filme. Pelo método desenvolvido, a estabilidade térmica do piezoeletreto foi melhorada sem a necessidade de um tratamento prévio ou posterior dos filmes, diminuindo assim o custo de produção. Outro método inovador para produção dos piezoeletretos também foi exposto neste trabalho. Essa inovação consiste na fabricação de piezoeletretos com cavidades controladas por meio da impressão de filmes de ABS. Para a impressão dos filmes uma impressora 3D de baixo custo foi utilizada. / There are several methods described in the literature on how piezoelectrets or ferroelectrets can be manufactured, each of these techniques present their advantages and disadvantages. For example, foamed polypropylene (PP) are easy to be processed on a large scale combined with a low cost of production, however, its piezoelectric effect is temperature dependent, and there is no control of internal voids during its manufacture, causing a heterogeneity of the geometry of these empty. Furthermore, in other methods the cavities dimensions can be controlled and more thermally stable polymers can be used, however, with a higher production cost. Regarding the methods for producing piezoelectrets, in this work we present a new technique based on hot sealing and water template for creating multi-layered piezoelectrets with open-tubular channels. This type of voided structure have been initially produced by laminating fluoroethylene-propylene (FEP) films with a polytetrafluorethylene (PTFE) template in between although the template was discarded after lamination, creating residual waste. With the replacement of the PTFE template by water in the production step of the new piezoelectrets, it was possible to eliminate the disposal of solid waste at the same time a chemical treatment was performed on the film surface. By the developed method, the piezoelectrets thermal stability was improved without the need for a prior or subsequent treatment of the films, reducing the production cost. Another innovative method for production of piezoelectrets was also exposed in this work. This innovation consists in manufacturing piezoelectrets with cavities controlled by printing ABS films. In order to print the films, a 3D printer was used.

Há vários métodos descritos na literatura sobre a forma como os piezoeletretos ou ferroeletretos podem ser fabricados, sendo que cada uma dessas técnicas apresenta suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, espumas de polipropileno (PP) são fáceis de serem processadas em grande escala aliada a um baixo custo de produção, entretanto, seu efeito piezoelétrico é dependente da temperatura, assim como não há um controle dos vazios internos durante sua fabricação, ocasionando uma heterogeneidade da geometria desses vazios. Por outro lado, em outros métodos as dimensões das cavidades podem ser controlada e polímeros termicamente mais estáveis podem ser utilizados, no entanto, a um maior custo de produção. Em relação aos métodos que visam a produção dos piezoeletretos, neste trabalho é apresentada uma nova técnica baseada em termo selagem e template de água para criar piezoeletretos com canais tubulares abertos. Este tipo de estrutura vazada foi inicialmente produzida pela laminação de filmes de etileno propileno fluorado (FEP) com o template de politetrafluoretileno (PTFE) entre eles, sendo o template descartado após a laminação, gerando resíduos. Com a substituição do template de PTFE pela água na etapa de produção dos novos piezoeletretos, foi possível eliminar o descarte de resíduos sólidos ao mesmo tempo em que um tratamento químico foi efetuado na superfície do filme. Pelo método desenvolvido, a estabilidade térmica do piezoeletreto foi melhorada sem a necessidade de um tratamento prévio ou posterior dos filmes, diminuindo assim o custo de produção. Outro método inovador para produção dos piezoeletretos também foi exposto neste trabalho. Essa inovação consiste na fabricação de piezoeletretos com cavidades controladas por meio da impressão de filmes de ABS. Para a impressão dos filmes uma impressora 3D de baixo custo foi utilizada. / There are several methods described in the literature on how piezoelectrets or ferroelectrets can be manufactured, each of these techniques present their advantages and disadvantages. For example, foamed polypropylene (PP) are easy to be processed on a large scale combined with a low cost of production, however, its piezoelectric effect is temperature dependent, and there is no control of internal voids during its manufacture, causing a heterogeneity of the geometry of these empty. Furthermore, in other methods the cavities dimensions can be controlled and more thermally stable polymers can be used, however, with a higher production cost. Regarding the methods for producing piezoelectrets, in this work we present a new technique based on hot sealing and water template for creating multi-layered piezoelectrets with open-tubular channels. This type of voided structure have been initially produced by laminating fluoroethylene-propylene (FEP) films with a polytetrafluorethylene (PTFE) template in between although the template was discarded after lamination, creating residual waste. With the replacement of the PTFE template by water in the production step of the new piezoelectrets, it was possible to eliminate the disposal of solid waste at the same time a chemical treatment was performed on the film surface. By the developed method, the piezoelectrets thermal stability was improved without the need for a prior or subsequent treatment of the films, reducing the production cost. Another innovative method for production of piezoelectrets was also exposed in this work. This innovation consists in manufacturing piezoelectrets with cavities controlled by printing ABS films. In order to print the films, a 3D printer was used.

The synthesis and characterization of step-growth polymers with novel monomers provided materials with tailored properties for emerging technologies. Specifically, multiphase materials (i.e., microphase separated block copolymers) exploit the synergistic relationship of combining polymers with disparate thermal and mechanical properties. The introduction of intramolecular interactions such as hydrogen and ionic bonding into these polymers further tailored their properties for applications including elastomers, electromechanical transducers, and additive manufacturing (AM). A review of recent literature revealed the material properties required for polymeric materials in electromechanical transducers, which aided in the design of polymers for this application. An isocyanate-, catalyst-, and solvent-free approach facilitated the synthesis of segmented polyureas with tunable thermal and mechanical properties. These materials found use as high dielectric elastomers and water-soluble polymers for extrusion-based AM dependent on the backbone composition. Vat photopolymerization (VP) AM served as a technique to 3D printed novel unsaturated polyester resins (UPR). Incorporating a phosphonium ionic liquid as a reactive diluent replaced styrene and reduced the volatility of commonly used UPRs. VP successfully provided 3D structures from these UPRs that demonstrated limited ionic conductivities. An extensive review of the literature surrounding the structure-property relationships of charged block copolymers with varying architectures helped to inform the synthesis of novel, cationic step-growth polymers. The synthesis of a new phosphonium IL facilitated the synthesis of a segmented polyurethane containing a phosphonium-functionalized soft segment for the first time. This phosphonium polyurethane exhibited ionic conductivities comparable to literature examples of block copolymers used for ionic polymer transducers, which suggests that these materials may serve for this application as well. Carbonyldiimidazole provides a novel route towards synthesizing imidazolium ionenes with unique backbone structures. The coupling of poly(ethylene glycol) dibromides with a bis-carbonylimidazole monomer and a commercial aliphatic dibromide led to the formation of segmented imidazolium ionenes. These polymers exhibited significant atmospheric water uptake as well as water solubility. However, the physical properties of the materials suggested that the synthetic procedure resulted in low molecular weights. Suggested future work provides methods for circumventing this issue and proposes next steps for all the projects discussed herein. / Doctor of Philosophy / Emerging technologies require new polymeric materials with intentionally designed properties. Step-growth polymers such as polyesters, polyurethanes, and polyureas find use in many applications of our everyday lives. Although these materials have served mainly as commodity plastics historically, a reimagining of their syntheses and chemical structures makes them accessible for modern technologies. For example, applying green chemistry principles to the synthesis of polyureas resulted in a less toxic synthetic procedure. Polyureas synthesized through this method exhibited elastic properties comparable to classical polyureas and displayed high dielectric constants, which lend them towards use in dielectric elastomer actuators. This chemistry also allowed for the synthesis of water-soluble polyureas, which served as a material for low temperature extrusion additive manufacturing, colloquially known as 3D printing. Vat photopolymerization describes another type of 3D printing that involves the selective curing of liquid resins with light to form a 3D structure. Employing a reactive ionic liquid monomer with a commercially-relevant unsaturated polyester allowed for a nontoxic method of printing these materials, which also imparted ionic conductivity. Finally, the synthesis of positively charged polyurethanes and ionenes led to the production of ionically conductive materials that may find use in polymeric transducers.

A sensibilidade eletromecânica dos transdutores de eletretos poliméricos resulta em muitas aplicações na engenharia, que motivaram a produção industrial de um filme não homogêneo e eletricamente carregado, denominado filme eletromecânico ou EMFi (ElectroMechanical Film). Um dispositivo alternativo a este EMFi, produzido em nosso laboratório, foi o resultado de uma bolha de ar homogênea termoformada, unida por dois filmes de teflon FEP. Este dispositivo possui uma estrutura similar ao EMFi, mas permite cavidades homogêneas a serem predefinidas e distribuídas no momento em que o dispositivo é produzido, diferindo das células no EMFi com tamanhos diversos e dispersas no interior do filme industrial. A possibilidade de controlar a geometria das bolhas de ar tornou possível o desenvolvimento de um modelo, empregado como uma ferramenta de projeto. A resposta eletromecânica deste transdutor foi modelada e então apresentada neste trabalho. Este modelo analítico avalia o desempenho destes transdutores com somente uma bolha termoformada, para efeitos de simplificação, baseado em capacitores em série, em função da deformação mecânica e da carga elétrica retida no polímero. São representados dinamicamente com parâmetros elétricos e mecânicos, definidos à medida que operam como sensores ou atuadores, com respeito ao limites impostos pela aplicação especificada. O gráfico da resposta em freqüência mostra a freqüência de ressonância e a largura da faixa para meia-amplitude que determina o coeficiente de amortecimento que não pode ser obtido diretamente do modelo analítico. Este gráfico também permite comparar a freqüência natural obtida graficamente com aquela calculada pelo modelo, tornando mais confiável o modelo desenvolvido para o transdutor. Finalmente, melhorias na instrumentação e em condições mais adequadas para os testes são sugeridas, bem como métodos alternativos para trabalhos futuros. / The electromechanical sensibility of polymeric electrets transducers yields many engineering applications which have motivated industrial production of a non-homogeneous and electrically charged film, the so-called electromechanical film (EMFi). An alternative device for this EMFi that has been produced in our laboratory was a homogeneous thermo-formed air bubbles bonded with two teflon FEP films. This device has a structure similar to the EMFi, but allows the homogeneous voids to be pre-defined and distributed at the moment the device is produced, differing the EMFi voids with diverse sizes and dispersed into the industrial film. The possibility to control the air bubbles geometry makes possible the development of a model to be used as a design tool. The electromechanical response of this transducer has been modeled and is presented in this work. Such analytical model evaluates the transducers performance using just a single thermo-formed bubble for simplification purposes, based on series capacitors, which are function of the mechanical deformation and electrical charge trapped in the polymer. They are represented dynamically, with electrical and mechanical parameters being defined as they work as sensors or actuators, regarding the limits imposed by the specified application. A frequency response plot shows the resonance frequency and the bandwidth for the half amplitude, which determines the damper coefficient that cannot be obtained directly from the analytical model. This plot also allows comparison of the natural frequency obtained graphically with the calculated one using the model, making more reliable the transducer model developed. Finally, instrumentation improvements and more suitable test conditions are suggested, as well as alternative methods for future works.

A sensibilidade eletromecânica dos transdutores de eletretos poliméricos resulta em muitas aplicações na engenharia, que motivaram a produção industrial de um filme não homogêneo e eletricamente carregado, denominado filme eletromecânico ou EMFi (ElectroMechanical Film). Um dispositivo alternativo a este EMFi, produzido em nosso laboratório, foi o resultado de uma bolha de ar homogênea termoformada, unida por dois filmes de teflon FEP. Este dispositivo possui uma estrutura similar ao EMFi, mas permite cavidades homogêneas a serem predefinidas e distribuídas no momento em que o dispositivo é produzido, diferindo das células no EMFi com tamanhos diversos e dispersas no interior do filme industrial. A possibilidade de controlar a geometria das bolhas de ar tornou possível o desenvolvimento de um modelo, empregado como uma ferramenta de projeto. A resposta eletromecânica deste transdutor foi modelada e então apresentada neste trabalho. Este modelo analítico avalia o desempenho destes transdutores com somente uma bolha termoformada, para efeitos de simplificação, baseado em capacitores em série, em função da deformação mecânica e da carga elétrica retida no polímero. São representados dinamicamente com parâmetros elétricos e mecânicos, definidos à medida que operam como sensores ou atuadores, com respeito ao limites impostos pela aplicação especificada. O gráfico da resposta em freqüência mostra a freqüência de ressonância e a largura da faixa para meia-amplitude que determina o coeficiente de amortecimento que não pode ser obtido diretamente do modelo analítico. Este gráfico também permite comparar a freqüência natural obtida graficamente com aquela calculada pelo modelo, tornando mais confiável o modelo desenvolvido para o transdutor. Finalmente, melhorias na instrumentação e em condições mais adequadas para os testes são sugeridas, bem como métodos alternativos para trabalhos futuros. / The electromechanical sensibility of polymeric electrets transducers yields many engineering applications which have motivated industrial production of a non-homogeneous and electrically charged film, the so-called electromechanical film (EMFi). An alternative device for this EMFi that has been produced in our laboratory was a homogeneous thermo-formed air bubbles bonded with two teflon FEP films. This device has a structure similar to the EMFi, but allows the homogeneous voids to be pre-defined and distributed at the moment the device is produced, differing the EMFi voids with diverse sizes and dispersed into the industrial film. The possibility to control the air bubbles geometry makes possible the development of a model to be used as a design tool. The electromechanical response of this transducer has been modeled and is presented in this work. Such analytical model evaluates the transducers performance using just a single thermo-formed bubble for simplification purposes, based on series capacitors, which are function of the mechanical deformation and electrical charge trapped in the polymer. They are represented dynamically, with electrical and mechanical parameters being defined as they work as sensors or actuators, regarding the limits imposed by the specified application. A frequency response plot shows the resonance frequency and the bandwidth for the half amplitude, which determines the damper coefficient that cannot be obtained directly from the analytical model. This plot also allows comparison of the natural frequency obtained graphically with the calculated one using the model, making more reliable the transducer model developed. Finally, instrumentation improvements and more suitable test conditions are suggested, as well as alternative methods for future works.

Tire pressure monitoring systems (TPMSs) predict over- and underinflated tires, and warn the driver in critical situations. Today, battery powered TPMSs suffer from limited energy. New sensor features such as friction determination or aquaplaning detection require even more energy and would significantly decrease the TPMS lifetime. Harvesting electrical energy inside the tire of a vehicle has been considered as a promising alternative to overcome the limited lifetime of a battery. However, it is a real challenge to design a system, that generates electrical energy at low velocities while being robust at 200 km/h where radial accelerations up to 20000 m/s2 occur. This work focusses on developing different electromechanical energy transducers that meet the high requirements of the automotive sector. Different approaches are addressed on how the change of acceleration and strain within the tire can be used to provide mechanical energy to the energy harvester. The energy harvester converts the mechanical energy into electrical energy. In this thesis, piezoelectric and electromagnetic transducers are discussed in depth, modelled as electromechanical networks. Since the transducers provide energy in the form of an AC voltage, but sensors require a DC voltage, various common interface circuits are compared, using LTspice and applying method of the stochastic signal analysis. Furthermore, a buck-boost converter concept for the electromagnetic energy harvester is optimized and improved. Experiments on a tire test rig validate the theoretically determined output and confirm that well designed energy harvesters in the tire can generate much more energy than required by an TPMS not only at high velocities but also at velocities as low as 20 km/h.