แสดงวิธีการดำเนินการวิจัยประกอบด้วย 5 ขั้นตอนหลัก ดังนี้

(1)       จัดซื้อวัสดุสารตั้งต้น

งานวิจัยสนใจพอลิเมอร์อิเล็กโทรสทริกทิฟจากพอลิเมอร์ผสมระหว่างพอลิเมอร์ยูรีเทน(Polyaniline, PU) และพอลิเมอร์แอนิลีน (Polyaniline, PANI)  โครงสร้างของ PU แสดงในรูปที่ 3 ลักษณะของ PU ประกอบด้วย 2 ส่วน คือ ส่วนแข็ง (Hard segments, HS) มีองค์ประกอบของ MDI (4,4’ methylene bis(phenyl isocyanate), BDO (1,4-butanediol) มีลักษณะแบบกึ่งผลึกมีการจัดเรียงตัวของสายโซ่เป็นระเบียบภายในส่วนอ่อน (Soft segment, SS) ที่มีองค์ประกอบของ Poly(tetramethylene oxide) แสดงในรูป 4 พอลิเมอร์ PU นั้นมีส่วน HS ประมาณร้อยละ 46 โดยน้ำหนัก โดยสัดส่วนระหว่างส่วน HS และ SS เป็นตัวกำหนดคุณลักษณะของพอลิเมอร์ และเกิด cross-link ขึ้นใน PU โดยอาศัยความร้อน (80 องศาเซลเซียส) ทำให้เกิดอัตรกิริยาของพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายโซ่โมเลกุลของ carbonyls (C=O) จากกลุ่มของยูเรีย/ยูรีเทนและ N-H จากส่วนของแข็ง HS คือ MDI และBDO ในรูปที่ 4   สำหรับพอลิเมอร์ PANI นั้นเป็นพอลิเมอร์ที่มีสภาพนำไฟฟ้าสูงแสดงโครงสร้างดังรูปที่ 5 มีส่วนประกอบที่เป็นหน่อย benzenid (-C₆H₄-NH-) จำนวน 3 หน่วย และ auinoid (-N=C₆H₄=N-) จำนวน 1 หน่วย เมื่อนำมาผสมกันกับ PU ภายใต้ความร้อนทำให้เกิด cross-link ระหว่างส่วน isocyanate MDI ของ PU และ N-H ของ PANI ส่งผลต่อสภาพนำไฟฟ้าดีขึ้นและสมบัติทางกลให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้น

รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างของพอลิเมอร์พอลิยูรีเทน, PU

รูปที่ 4 แสดงลักษณะองค์ประกอบของส่วน HS และส่วน SS (Lapprand et al., 2007)

รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างพอลิเมอร์ PANI (Norma et al., 2009)

                (2) เตรียมฟิล์มพอลิเมอร์ผสมตามสัดส่วนที่กำหนดและตรวจสอบคุณลักษณะทางกายภาพ สมบัติเชิงกล สมบัติเชิงไฟฟ้ากล ของฟิล์มพอลิเมอร์ผสม

                เตรียมแผ่นฟิล์มพอลิเมอร์ผสมจากเม็ดพอลิยูรีเทน(PU granule)  และพอลิแอนิลีน (PANI powder) และสารละลายทางการค้า ด้วยวิธีหล่อในสารละลาย (Solution casting) แสดงในรูปที่ 6 กระบวนการเตรียมวิธีนี้เป็นการเตรียมที่ง่ายและสะดวก ทั้งในรูปแบบแผ่นเรียบ (Flat sheet) และแบบท่อ (Hollow sheet) ขั้นตอนการเตรียมฟิล์มพอลิเมอร์ผสมนี้ใช้ผง PU ร้อยละ 5 โดยน้ำหนัก ทำละลายกับตัวทำละลายไดเมทิลโฟร์มาไมด์ (Dimethylformamide, DMF) โดยนำผง PU และตัวทำละลาย DMF มาชั่งตามสัดส่วนที่ต้องการแล้วเทผสมกันในขวดรูปชมพู่ จากนั้นให้อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 45 นาที และกวนให้เข้ากันโดยใช้เครื่องกวน (Magnetic stirrer) กระทั่งสารละลายเข้าด้วยกันเป็นเนื้อเดียว จากนั้นนำสารละลาย PANI เติมในสารละลาย PU ตามสัดส่วน PU/PANI ได้แก่ 95/5 90/10 85/15 80/20 75/25 70/30 65/35 60/40 และ50/50 จนกระทั่งถึงตำแหน่ง Percolation ซึ่งมี สภาพนำไฟฟ้าสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว แล้วกวนต่อภายใต้อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 60 นาที เพื่อให้ผสมกันอย่างสมบูรณ์ 

จากนั้นนำมาขึ้นรูปด้วยเครื่องปาดแผ่นฟิล์ม (Applicator)  แสดงดังรูปที่ 7 ฟิล์มที่ได้มีช่วงความหนา 100 ไมครอน ซึ่งฟิล์มที่ได้ต้องมีลักษณะสม่ำเสมอตลอดเนื้อฟิล์มดัวยเครื่องปาดฟิล์ม แล้วนำฟิล์มที่ปาดแล้วไปอบด้วยอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 24 ชั่วโมงโดยขึ้นตอนการเตรียมนี้ได้ศึกษาตัวแปรที่เกี่ยวข้องในการเตรียมฟิล์มจะถูกศึกษาในงานวิจัยนี้ ได้แก่ (1) ความหนืดของสารละลาย (2) ลักษณะเฟสผสม (3) ความเข้มข้นของ PANI เป็นต้น ซึ่งตัวแปรต่างๆนี้มีผลต่อคุณลักษณะทางไฟฟ้าและทางกลของพอลิเมอร์ผสม

ศึกษาและวิเคราะห์คุณลักษณะของฟิล์มที่เตรียมได้ด้วย SEM, DSC, AFM, FTIR, TGA  และ LCR meter ในงานวิจัยนี้สามารถเตรียมขึ้นรูปแผ่นฟิล์มบางด้วยเครื่องปาดให้ฟิล์มสม่ำเสมอขนาด 5x7 ตารางเซนติเมตร ในทดสอบทางไฟฟ้าใช้ชิ้นตัวอย่าง 2x3 ตารางเซนติเมตร และใช้แผ่นฟิล์มจำนวนหนึ่งตามหลักสถิติต่อการเก็บข้อมูลแต่ละครั้ง  ศึกษาสมบัติทางไฟฟ้า วัดค่าไดอิเล็กทริก (Dielectric constant) และค่าสภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity) ด้วยเครื่อง LCR meter และศึกษาสมบัติทางกลของพอลิเมอร์ผสม ความแข็งแรงต่อแรงดึง(Tensile strength) ยังมอดูสัส เปอร์เซ็นต์การยืด (Elongation) และอายุการใช้งาน ความล้า (fatigue) ของชิ้นทดสอบ ด้วยเครื่องทดสอบแรงดึง (Tensile tester) และDynamic Mechanical Thermal Analyzer (DMTA) แต่ละเงื่อนไขความข้มเข้น จากนั้นนำข้อมูลที่ได้มาวิเคราะห์ผลและสรุปผลการทดลองของขั้นตอนนี้

  รูปที่ 6 แสดงขั้นตอนการเตรียมโดยวิธีหล่อฟิล์มบางในสารละลาย

 

รูปที่ 7 เครื่องปาดฟิล์มบาง(applicator)

(3) สร้างชุดวัดสมบัติอิเล็กโทรสทริกทิฟ

                ฟิล์มที่ได้จากการเตรียมส่วนหนึ่งนำมาศึกษาสมบัติอิเล็กโทรสทริกทิฟของชิ้นทดสอบแต่ละสัดส่วนความเข้มข้นและความหนาของชิ้นตัวอย่าง (20 ถึง 200 ไมครอน) ด้วยชุดวัดการกระจัดด้วยโฟโตนิก (Photonic displacement setup) โดยออกแบบและสร้างชุดวัดแสดงดังรูปที่ 8 และ 9 นำฟิล์มมาตัดเป็นชิ้นตัวอย่างเป็นวงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 เซนติเมตร แล้ววางบนระหว่างแท่งทองเหลืองซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้า จากนั้นให้ศักย์ไฟฟ้ากระแสสลับกับชิ้นตัวอย่าง ศักย์ไฟฟ้าที่ให้กับชิ้นตัวอย่างถูกควบคุมด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาน (Function generator) และเครื่องจ่ายแรงดันไฟฟ้าสูง (High voltage) ชิ้นตัวอย่างภายใต้ศักย์ไฟฟ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงการกระจัดในลักษณะยืดและหด ซึ่งสามารถวัดการกระจัดด้วยหัววัดโฟโตนิกและออกผลด้วยเครื่องออสซิลโลสโคป (Oscilloscope) ค่าความเครียดภายใต้สนามไฟฟ้า และค่าสัมประสิทธิอิเล็กโทรสทริกทิฟ สามารถคำนวณจากผลการวัดโดยชุดเครื่องมือนี้ จากนั้นนำฟิล์มผสมไปเก็บเกี่ยวพลังงานตามขั้นตอนข้อ 4

รูปที่ 8 ชุดวัดการกระจัดด้วยโฟโตนิก

รูปที่ 9  ทิศทางของลำแสงโฟโตนิกบนตัวจับชิ้นตัวอย่าง

                (4)  เก็บเกี่ยวพลังงานการสั่นด้วยฟิล์มผสมที่เตรียมได้

นำฟิล์มที่ได้มาแปลงพลังงานการสั่นเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยชุดการเก็บเกี่ยวพลังงานดังรูปที่ 10 ภายใต้ความถี่ของการสั่นโดยเลือกใช้ความถี่ต่ำกว่า 100 Hz ซึ่งเป็นช่วงความถี่ที่มีอยู่แล้วโดยรอบตัวเรา นำฟิล์มตัวอย่างขนาด 2x4 เซนติเมตรติดไว้บนคานเหล็ก แล้วทำให้คานสั่นด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นวัดค่าศักย์ไฟฟ้า ( ) ที่ได้จากฟิล์มบนโหลดที่เหมาะสม ( ) ซึ่งสามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าจาก        (11)          

รูปที่ 10 ชุดเก็บเกี่ยวพลังงานด้วยพอลิเมอร์อิเล็กโทรสทริกทิฟ