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Sep 21, 2023

Papel magnetoestrictivo negativo formado al dispersar partículas de CoFe2O4 en nanofibrillas de celulosa

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6144 (2023) Cite este artículo 505 Accesos 1 Detalles de Altmetric Metrics Los polímeros a menudo se combinan con materiales magnetoestrictivos para mejorar su

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6144 (2023) Citar este artículo

505 Accesos

1 altmétrica

Detalles de métricas

Los polímeros suelen combinarse con materiales magnetoestrictivos para mejorar su tenacidad. Este estudio informa sobre un papel compuesto a base de nanofibrillas de celulosa (CNF) que contiene partículas dispersas de CoFe2O4 (CNF-CoFe2O4). Además de impartir magnetización y magnetoestricción, la incorporación de partículas de CoFe2O4 disminuyó la resistencia máxima a la tracción y aumentó el alargamiento de la fractura del papel compuesto CNF-CoFe2O4. CNF fue responsable de las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4. En consecuencia, las propiedades magnéticas y magnetoestrictivas y las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se pueden controlar cambiando la proporción de mezcla de partículas de CNF y CoFe2O4.

Para aliviar la crisis energética global y la contaminación ambiental, muchos investigadores están explorando tecnologías de energía alternativa que recolectan energía del ambiente (por ejemplo, vibraciones mecánicas)1,2,3. Cuando el suministro de energía ambiental es limitado, los dispositivos de recolección de energía piezoeléctrica generan suficiente energía para dispositivos específicos, como los sensores de Internet de las cosas4. Para este propósito, se han investigado activamente materiales, compuestos y dispositivos piezoeléctricos5,6,7,8,9,10,11 y se ha evaluado su rendimiento de recolección de energía de vibración.

Los materiales magnetoestrictivos pueden deformarse bajo un campo magnético externo12. El efecto magnetoestrictivo fue descrito por primera vez por James Prescott Joule en 184213. Informó que el hierro, un material ferromagnético, cambia de dimensión en respuesta a un campo magnético. Desde entonces, los investigadores han desarrollado diversos materiales magnetoestrictivos como las aleaciones Tb-Dy-Fe (terfenol-D), aleaciones Fe-Ga (galfenol), aleaciones Fe-Co y CoFe2O4 (ferritas de cobalto)14,15,16,17. ,18. Los materiales, compuestos y dispositivos magnetoestrictivos también están atrayendo la atención en el campo de la recolección de energía19,20,21,22,23,24. Terfenol-D y galfenol son aleaciones magnetoestrictivas gigantes bien conocidas que muestran buenas propiedades magnetoestrictivas a temperatura ambiente, pero son frágiles y costosas1,16.

Para superar la fragilidad de los materiales magnetoestrictivos, muchos investigadores han dispersado partículas magnetoestrictivas a través de una matriz polimérica, formando compuestos poliméricos magnetoestrictivos (MPC)25. Bajo un campo magnético externo, las partículas magnetoestrictivas se deforman y ejercen una fuerza sobre la matriz polimérica, deformando todo el compuesto. El equilibrio se logra equilibrando las tensiones generadas en las partículas magnetoestrictivas y la matriz polimérica, lo que resulta en la deformación general del MPC. Los MPC son potencialmente aplicables a la detección de corriente y estrés, amortiguación de vibraciones, actuación, monitoreo de salud y aplicaciones biomédicas. Además, son más fáciles de fabricar según la geometría requerida que las aleaciones magnetoestrictivas gigantes mencionadas anteriormente. Estudios previos sobre MPC han informado partículas de terfenol-D26 y partículas de galfenol27 dispersas a través de una matriz de resina epoxi (compuestos de terfenol-D/epoxi y galfenol/epoxi, respectivamente), partículas de aleación de Fe-Co dispersadas a través de una matriz de poliuretano (Fe-Co/PU composites)28 y varios otros29,30. Se han informado valores de magnetoestricción positivos de 1600, 360 y 70 ppm en terfenol-D/epoxi, galfenol/epoxi y Fe-Co/PU, respectivamente. Sin embargo, los MPC con efecto magnetoestrictivo negativo sólo se han investigado en pequeña medida. Nersessian et al.31 informaron magnetoestricciones de saturación de −24 y −28 ppm en compuestos de níquel huecos y sólidos, respectivamente. De manera similar, Ren et al.32 informaron sobre magnetoestricción negativa en compuestos pseudo-1-3 Sm0.88Dy0.12Fe1.93 unidos a polímeros.

Recientemente, los dispositivos basados ​​en papel y celulosa han ganado cada vez más atención33 porque el papel es de bajo costo (~ 0,005 $/m2), biocompatible, respetuoso con el medio ambiente, 100 % reciclable y más elástico que otros dispositivos flexibles basados ​​en polímeros34. La fibra de celulosa es económica, de origen biológico, biodegradable, no peligrosa, reciclable y de baja densidad35. Las nanofibrillas de celulosa (CNF), en particular, muestran una resistencia, rigidez y dureza excepcionales36 y se espera que se utilicen como fibras de refuerzo37,38,39,40,41,42,43.

Mattos et al.44 demostraron que las nanorredes creadas a partir de CNF pueden formar superestructuras con prácticamente cualquier tipo de partícula debido a la cohesión supramolecular proporcionada por las fibrillas. Se demostró que esta cohesión es el resultado de la alta relación de aspecto de las fibrillas. Yermakov et al.45 fabricaron membranas de nanocelulosa magnetoestrictivas incorporando partículas de terfenol-D en CNF. Después de evaluar las propiedades magnetoestrictivas de las membranas, descubrieron que se inducían diversas orientaciones de las partículas de terfenol-D en las membranas y que las partículas con alineación en el plano mostraban el efecto magnetoestrictivo más fuerte. Kim et al.46 fabricaron una cadena de actuador magnetostrictivo que podría responder a un campo magnético externo, combinando nanopartículas magnéticas de Fe2O3 en una matriz CNF. Sin embargo, no hay publicaciones en las que se hayan fabricado compuestos magnetoestrictivos combinando CNF y CoFe2O4. Antonel et al.47 produjeron un compuesto de CoFe2O4-poli(anilina) incorporando nanopartículas de CoFe2O4 dentro de una matriz polimérica de poli(anilina). Demostraron que, debido a las interacciones entre partículas y polímeros, al variar la relación entre partículas y polímeros se puede modular el comportamiento magnético del material.

En el presente estudio, las partículas de CoFe2O4 se dispersaron a través de CNF para formar papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Este artículo informa las propiedades magnéticas, magnetoestrictivas y de tracción de los papeles. Las microestructuras de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se observaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un sistema de difracción de rayos X (DRX).

La Figura 1 es un esquema del proceso de fabricación de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Los materiales de partida fueron partículas de CoFe2O4 (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., Japón) y una suspensión de CNF al 2% en peso (IMA-10002, Sugino Machine, Japón). La distribución del tamaño de partículas de CoFe2O4 se midió mediante un analizador de tamaño de partículas por difracción láser (MASTERSIZER 3000, Malvern Panalytical, Spectris, Reino Unido). Las partículas de CoFe2O4 y la suspensión de CNF se mezclaron manualmente durante 5 minutos a temperatura ambiente. Utilizando diferentes proporciones en peso de partículas de CoFe2O4: suspensión de CNF, se prepararon 3 soluciones: 5:95, 20:80 y 35:65, peso total 20 g. Las soluciones se intercalaron entre dos láminas de malla de tamaño 100 \(\times \) 100 mm2. Las muestras se comprimieron y deshidrataron bajo una prensa de calentamiento hidráulica manual ultracompacta (Modelo IMC-195A-E, Imoto Mfg. Co., Ltd., Japón) operada a 120 °C durante 30 s. Después de despegar las láminas de malla, los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 deshidratados se comprimieron y secaron aún más con un peso de 2500 g durante 24 h. Luego se consolidó la placa circular de CoFe2O4 (\(\phi \) 15 \(\times \) 2,25 mm3) mediante sinterización por plasma por chispa (SPS, SPS-1050, Fuji Electric Industrial Co., Ltd., Japón), bajo un proceso de compresión. tensión de 20 MPa a 1000 °C durante 10 min en el vacío. Se cortó una placa de CoFe2O4 de referencia a un tamaño de 10 \(\times \) 10 \(\times \) 2,25 mm3 y se reservó para mediciones adicionales.

Esquema del proceso de fabricación de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 (dibujado en Microsoft PowerPoint para Mac, versión 16.70).

Para obtener las densidades de los papeles compuestos de CoFe2O4 y la placa sinterizada de CoFe2O4, se midieron las longitudes y espesores de las muestras utilizando un calibrador digital electrónico (SDV-150, Fujiwara Industrial Co., Ltd., Japón) y un medidor de espesor digital (MDC). -SX, Mitutoyo, Japón), respectivamente, y los pesos de las muestras se midieron en una balanza digital (ALE223R, Sinko Denshi Co., Ltd., Japón).

Las microestructuras de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y las partículas de CoFe2O4 se investigaron en un sistema XRD multipropósito (Ultima IV, Rigaku Co., Japón). Los patrones XRD se obtuvieron bajo radiación CuK\({\upalpha }\) con un tiempo de conteo de 1,67/s, un tamaño de paso de 0,02°, un voltaje de 40 kV y una corriente de 40 mA. Se determinó que el rango de exploración estaba entre 10° y 70°. Las microestructuras de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se observaron utilizando un SEM de emisión de campo (FE-SEM) (SU-70, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japón), con un voltaje de aceleración de 5 kV y una distancia de trabajo. de 10 milímetros. En preparación para FE-SEM, las superficies de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se pulverizaron durante 30 s utilizando un dispositivo de pulverización iónica (E-1045, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japón) con una corriente de descarga de 15 mA. a 15 Pa para proporcionar conductividad eléctrica a los papeles compuestos. Además, el FE-SEM estaba equipado con un espectrómetro de rayos X de energía dispersa (EDX) para medir las concentraciones de carbono (C), oxígeno (O), cobalto (Co) y hierro (Fe) en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. El EDX se operó con un voltaje de aceleración de 5 kV y una distancia de trabajo de 15 mm.

Las propiedades magnéticas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se evaluaron utilizando un magnetómetro de muestra vibratoria (VSM) (BHV-50H, Riken Denshi Co., Ltd., Japón) calibrado a 4.931 emu. El VSM se calibró en una placa de níquel puro de tamaño 10 \(\times \) 10 \(\times \) 0,1 mm3. El rango del campo magnético aplicado fue de ± 759 kA/m. Las propiedades magnetoestrictivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se evaluaron bajo electroimanes VSM. Los electroimanes estaban separados por 50 mm. El campo magnético aplicado se midió con un medidor de Gauss (GM-4002, Denshijiki Industry Co., Ltd., Japón). Las deformaciones de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se midieron mediante un extensímetro ortogonal (JFGS-1-120-D16-16 L3M2S, Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd., Japón) colocado en la superficie de la muestra bajo un rango de campo magnético aplicado. de ± 733 kA/m. Los datos fueron recopilados mediante registradores de datos (NR-ST04 y NR-HA08, Keyence, Japón)28.

Se investigaron las propiedades de tracción de muestras de papel compuesto CNF-CoFe2O4 de tamaño 30 \(\times \) 15 mm2 en un probador de mesa compacto (EZ-SX, Shimazu Co., Ltd., Japón) con una celda de carga de 500 N (Shimazu Co., Ltd., Japón). Las mordazas de tracción estaban separadas por 15 mm. Se insertó papel de lija de grano 600 entre el papel compuesto CNF-CoFe2O4 y las empuñaduras de tracción para evitar resbalones.

Esta sección formula el problema de predecir las propiedades magnetomecánicas efectivas del papel compuesto CNF-CoFe2O4. En coordenadas cartesianas rectangulares xi (O-x1, x2, x3), las ecuaciones constitutivas del material compuesto magnetoestrictivo heterogéneo vienen dadas por las ecuaciones. (1) y (2)

donde \(\langle{\varepsilon }_{ij}\rangle,\langle{\sigma }_{kl}\rangle,\langle{B}_{i}\rangle\) y \(\langle{H} _{k}\rangle\) son los componentes promedio del tensor de deformación, tensor de tensión, vector de densidad de flujo magnético y vector de intensidad del campo magnético, respectivamente, y \({s}_{ijkl}^{*\mathrm{H }}\), \({d}_{kij}^{*}\) y \({\mu }_{ik}^{*\mathrm{T}}\) son la elasticidad elástica bajo una superficie magnética constante. campo, la constante piezomagnética y la permitividad magnética bajo tensión constante, respectivamente. De ahora en adelante, el asterisco (*) indicará las propiedades promedio efectivas del material compuesto magnetoestrictivo. Esta formulación adopta la notación matricial comprimida, que es más útil que la notación tensorial extendida cuando se habla de simetría. En esta notación matricial, ij o kl (i, j, k, l = 1, 2, 3) se reemplaza por p, q (valorado de 1 a 6). Luego, las ecuaciones (1) y (2) se reescriben como ecuaciones. (3) y (4)

Para demostrar las propiedades efectivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4, consideramos el efecto magnetoestrictivo longitudinal, lo que significa que el campo externo (ya sea tensión mecánica o campo magnético) actúa a lo largo de la dirección x3 (el eje de fácil magnetización del papel compuesto). . El factor de acoplamiento magnetomecánico viene dado por la ecuación. (5)

donde \({E}^{*}\) es el módulo de Young (pendiente del gráfico tensión-deformación) del papel compuesto CNF-CoFe2O4. Tenga en cuenta que las propiedades materiales \({E}^{*}\), \({d}_{33}^{*}\) y \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T }}\) son funciones de las fracciones de volumen de las partículas de CoFe2O4 (\({V}_{\mathrm{cfo}}\)), \(\mathrm{the}\) poros (\({V}_{ \mathrm{p}}\)), y de la matriz CNF \(({V}_{\mathrm{m}} = 1-({V}_{\mathrm{cfo}}+{V}_{ \mathrm{p}}))\), respectivamente. Por tanto, las propiedades del material se calculan insertando las fracciones de volumen en las ecuaciones. (6)–(8):

donde \(\mathrm{the}\) los subíndices cfo, p y m representan las partículas, los poros y la matriz de CoFe2O4 (es decir, CNF), respectivamente.

Las fracciones en peso de CoFe2O4 (\({W}_{\mathrm{cfo}}\)) y CNF (\({W}_{\mathrm{m}}\)) en los papeles compuestos se muestran en la Tabla 1. Las densidades reales de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 fueron 0,7983 g/cm3 (muestra de una solución 5:95), 1,1967 g/cm3 (muestra de una solución 20:80) y 1,5058 g/cm3 (muestra de una solución 35:65). ). Suponiendo que toda el agua se evaporó del papel compuesto CNF-CoFe2O4 seco y tomando las densidades teóricas de CoFe2O4 y celulosa (5,2948 y 1,50 g/cm3, respectivamente), las fracciones de volumen de las partículas de CoFe2O4 en muestras elaboradas a partir de 5:95, 20 :80 y 35:65 se calcularon como 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen, respectivamente, en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 finales (consulte la Tabla 1). Los espesores promedio de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 que contienen 10,9, 21,0 y 27,5% en volumen de CoFe2O4 fueron 0,25, 0,49 y 0,92 mm, respectivamente. La densidad real de la placa sinterizada de CoFe2O4 fue de 4,298 g/cm3. La densidad relativa de la placa sinterizada de CoFe2O4 se calculó como 81,2% de la densidad teórica de 5,29 g/cm3.

La Figura 2 muestra las distribuciones de tamaño de las partículas de CoFe2O4. El polvo de CoFe2O4 comprendía poblaciones de partículas pequeñas y grandes con diámetros aproximados de 10 y 150 μm, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 3, los patrones de XRD del papel compuesto CNF-CoFe2O4 al 10,9% en volumen coincidieron con los de las partículas de CoFe2O4. Por lo tanto, el CoFe2O4 fue estable frente a transformaciones químicas durante el proceso de fabricación. La Figura 4 muestra las imágenes SEM de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Aunque las partículas de CoFe2O4 se dispersaron a través de la matriz de CNF, se aglomeraron mediante el proceso de mezclado manual. El pico de distribución de tamaño a 150 μm en la Fig. 2 probablemente fue contribuido por grandes aglomerados de partículas de CoFe2O4. La Figura 5 muestra el mapeo EDX del papel compuesto CNF-CoFe2O4 al 27,5% en volumen (la micrografía se muestra en la Fig. 4c). El EDX detectó C, O, Co y Fe en la superficie de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4, lo que implica que CoFe2O4 era estable frente a reacciones químicas durante el proceso de fabricación, lo que reconfirma los resultados de XRD. Cabe señalar que no aparecieron intensidades características de los rayos X en la sombra del detector EDX porque fueron atenuadas por la superficie irregular de la superficie del papel compuesto CNF-CoFe2O4.

Distribución de tamaños de las partículas de CoFe2O4.

Patrones de XRD del papel compuesto CNF-CoFe2O4 al 10,9% en volumen (rojo) y partículas de CoFe2O4 (azul).

Imágenes SEM de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 con diferentes contenidos de CoFe2O4: (a) 10,9, (b) 21,0 y (c) 27,5% en volumen.

Mapeos EDS del papel compuesto CNF-CoFe2O4 al 27,5 % en volumen con un contenido de CoFe2O4 del 27,5 % en volumen.

La Figura 6 muestra las propiedades magnéticas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y la placa de CoFe2O4. Los aditivos CoFe2O4 magnetizaron el papel CNF. La magnetización máxima del papel compuesto CNF-CoFe2O4 aumentó linealmente al aumentar la proporción de partículas de CoFe2O4. De acuerdo con los resultados actuales, Williams et al.49 informaron que las propiedades magnéticas de las fibras de celulosa magnetizantes dependen del porcentaje en volumen del relleno magnético implementado en la red de fibras. La curva magnética del papel compuesto CNF-CoFe2O4 alcanzó la saturación más lentamente que la placa sinterizada de CoFe2O4. En la ecuación. (4), la permitividad magnética efectiva \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 en condiciones libres de tensión vino dada por la ecuación. (9)

Propiedades magnéticas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y la placa de CoFe2O4: (a) curva de magnetización versus campo magnético y (b) gráfico de magnetización máxima versus fracción de volumen de CoFe2O4.

Las permitividades magnéticas efectivas aparentes \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) de CNF–CoFe2O4 con contenidos de CoFe2O4 de 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen se evaluaron como 0,0769 \(\times \) 10−6, 0,127 \(\times \) 10−6 y 0,228 \(\times \) 10−6 H/m, desde la pendiente inicial en la Fig. 6a (ver Tabla 1).

La Figura 7 muestra las propiedades magnetoestrictivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y la placa de CoFe2O4. En el papel compuesto CNF-CoFe2O4, la magnetoestricción fue negativa y positiva en las direcciones paralelas y perpendiculares al campo magnético, respectivamente, como se esperaba. La magnetoestricción de la placa de CoFe2O4 primero aumentó hasta un valor negativo máximo y luego disminuyó. El valor negativo máximo de la placa de CoFe2O4 fue de -90 ppm bajo un campo magnético de 217 kA/m. Bozorth et al.50 dijeron que el CoFe2O4 tiene dos coeficientes de magnetoestricción \({\lambda }_{100}\) y \({\lambda }_{111}\): \({\lambda }_{100}<0 \) y \({\lambda }_{111}>0\) a 300 K. Dado que el eje de magnetización fácil del CoFe2O4 es [100], correspondientemente, tiene un \({\lambda }_{100} negativo grande. \) y un pequeño positivo \({\lambda }_{111}\)51,52. Se cree que ocurrió el mismo fenómeno. La magnetoestricción negativa máxima del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se desvió de la línea de ajuste (ver Fig. 7e). Cabe señalar que los papeles compuestos de CNF-CoFe2O4 con 10,9 y 21,0 vol% no lograron la saturación magnetoestrictiva bajo un campo magnético de \({H}_{3}=\pm \) 733 kA/m. Estos resultados implican que los CNF entre las partículas de CoFe2O4 se deformaron con la magnetoestricción de las partículas de CoFe2O4 y facilitaron la magnetoestricción lineal de todo el papel compuesto CNF-CoFe2O4. En la ecuación. (3), la constante piezomagnética efectiva \({d}_{33}^{*}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 en condiciones libres de estrés se calculó como la ecuación. (10).

Propiedades magnetoestrictivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 con contenidos de CoFe2O4 de (a) 10,9, (b) 21,0 y (c) 27,5% en volumen y (d) la placa de CoFe2O4; (e) gráfico de magnetoestricción negativa máxima versus fracción de volumen de CoFe2O4.

Después del ajuste en línea recta de las porciones lineales de las curvas en las figuras 7a a c, los valores \({d}_{33}^{*}\) de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 que contienen 10,9, 21,0 y 27,5 Los % en volumen de CoFe2O4 se calcularon como − 8,95 \(\times \) 10−12, − 66,5 \(\times \) 10−12 y − 166 \(\times \) 10−12 m/A, respectivamente (ver Tabla 1). Claramente, el \({d}_{33}^{*}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 aumentó al aumentar la adición de partículas de CoFe2O4. Usando la ecuación. (3), la constante piezomagnética efectiva \({d}_{31}^{*}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 en condiciones libres de tensión se obtuvo como la ecuación. (11).

De manera similar, los valores de \({d}_{31}^{*}\) de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 que contienen 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen de CoFe2O4 se calcularon como 0,391 \(\times \) 10−12, 18,8 \(\times \) 10−12 y 27,1 \(\times \) 10−12 m/A, respectivamente.

La Figura 8a muestra las curvas de tensión-alargamiento de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. En este caso, el alargamiento se estimó a partir del desplazamiento de la cruceta de la máquina de ensayo universal. Las pendientes iniciales (entre 0 y 0,2% de alargamiento) de las curvas tensión-alargamiento de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se calcularon para las muestras de 10,9, 21,0 y 27,5 vol% y se determinaron como 0,523, 0,269 y 0,195 GPa. , respectivamente (ver Tabla 1). Estos valores se tomaron como módulos de Young aparentemente efectivos. Las Figuras 8 (byc) representan las resistencias máximas a la tracción (UTS) y los alargamientos de fractura versus la fracción de volumen de CNF en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Las fracciones de volumen de CNF en los papeles compuestos de 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen fueron 14,7, 5,9 y 3,6 % en volumen, respectivamente. La UTS del papel compuesto CNF-CoFe2O4 aumentó mediante la adición de CNF. Sin embargo, la adición de partículas de CoFe2O4 disminuyó la UTS, es decir, CNF fue responsable de las propiedades de tracción de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Por lo tanto, las propiedades magnéticas y magnetoestrictivas y las propiedades de tracción de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se pueden controlar cambiando la proporción de mezcla de partículas de CNF y CoFe2O4. Los valores aparentes de \({k}_{33}^{2}\) del papel compuesto de 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen de CNF-CoFe2O4 fueron 5,45 \(\times \) 10−16, 9,37 \(\times \) 10−15 y 2,36 \(\times \) 10−14, respectivamente (ver Tabla 1). El factor de acoplamiento magnetomecánico mejorado después de agregar CoFe2O4 implica que el papel compuesto CNF-CoFe2O4 es un candidato prometedor para aplicaciones de recolección de energía.

( a ) Curvas tensión-alargamiento de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4; Gráficos de (b) UTS y (c) alargamiento de la fractura versus fracción de volumen de CNF en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4.

Este estudio evaluó las propiedades magnéticas, magnetoestrictivas y de tracción de papeles compuestos CNF-CoFe2O4 con diferentes fracciones de volumen de CoFe2O4. Los análisis XRD y EDX revelaron que CoFe2O4 permaneció estable durante el proceso de fabricación. Las imágenes SEM confirmaron que las partículas de CoFe2O4 estaban dispersas a través de la matriz CNF pero a veces estaban aglomeradas. Las partículas de CoFe2O4 impartieron magnetización al papel CNF y la magnetización máxima del papel compuesto CNF-CoFe2O4 fue una función linealmente creciente del contenido de CoFe2O4. La magnetoestricción del papel compuesto CNF-CoFe2O4 fue negativa y positiva en las direcciones paralelas y perpendiculares al campo magnético, respectivamente. El módulo de Young aparentemente efectivo y el UTS del papel compuesto CNF-CoFe2O4 disminuyeron al aumentar el CoFe2O4. Esto se debió a que una mayor cantidad de partículas de CoFe2O4 disminuyó la fracción de volumen de CNF del papel compuesto. En conclusión, el CNF fue responsable de las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4. Por lo tanto, las propiedades magnéticas y magnetoestrictivas y las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se pueden controlar cambiando la proporción de mezcla de partículas de CNF y CoFe2O4. En general, los aditivos CoFe2O4 imparten propiedades magnéticas y magnetoestrictivas al papel CNF y pueden aumentar su tenacidad a cambio de disminuir sus propiedades de tracción. El factor de acoplamiento magnetomecánico del papel se mejoró añadiendo partículas de CoFe2O4; por lo tanto, se espera que el papel compuesto CNF-CoFe2O4 esté disponible para aplicaciones de recolección de energía.

Los materiales descritos en el manuscrito, incluidos todos los datos brutos relevantes, estarán disponibles gratuitamente para cualquier investigador que desee utilizarlos con fines no comerciales a través del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Beca KAKENHI para Investigación Científica (A) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) (Número de subvención 22H00183) y la Subvención para científicos que inician su carrera (Número de subvención 19K14836).

Departamento de Ciencias de Frontera para el Medio Ambiente Avanzado, Escuela de Graduados en Estudios Ambientales, Universidad de Tohoku, Sendai, Japón

Takumi Keino, Lovisa Rova, Alia Gallet--Pandelle, Hiroki Kurita y Fumio Narita

Laboratorio Ångström, Dominio Disciplinario de Ciencia y Tecnología, Departamento de Química, Universidad de Uppsala, Uppsala, Suecia

Lovisa Rova

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, INSA-Lyon, Universidad de Lyon, Villeurbanne Cedex, Francia

Alia Gallet--Pandellé

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Conceptualización, KH; metodología, conocimientos tradicionales; análisis formal, TK, LR, AG--P.; investigación, conocimientos tradicionales; recursos, HK, FN; redacción: preparación del borrador original, conocimientos tradicionales; redacción: revisión y edición, TK, LR, AG--P., HK, FN; visualización, Hong Kong; supervisión, FN; administración de proyectos, HK; adquisición de financiación, HK, FN Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Hiroki Kurita o Fumio Narita.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Keino, T., Rova, L., Gallet--Pandellé, A. et al. Papel magnetoestrictivo negativo formado al dispersar partículas de CoFe2O4 en nanofibrillas de celulosa. Representante científico 13, 6144 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31655-z

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Recibido: 31 de octubre de 2022

Aceptado: 15 de marzo de 2023

Publicado: 15 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31655-z

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