DOI:10.3390/s20185214
隨著人們對壓電聚偏氟乙烯（PVDF）在納米發電機（NGs）、傳感器和微型設備中應用的興趣不斷提高，尋求最有效、最合適的合成方法也成為研究領域的當務之急。靜電紡絲是制備更高含量β相PVDF納米纖維膜的有效方法，且無需額外的高壓極化或機械拉伸，因此，被認為是一種經濟可行且相對簡單的方法。本文討論了制備具有較高電輸出的PVDF薄膜所需相的影響因素。最佳制備條件（例如溶液濃度，溶劑，PVDF的分子量等）的設計和選擇會導致NG、傳感器和其他應用中的電性能和整體性能提高。另外，還討論了納米粒子添加劑對PVDF薄膜性能的改善作用。例如，總結了BaTiO3、碳納米管、石墨烯、納米粘土等添加劑對靜電紡絲PVDF中較高壓電響應的貢獻。最后，本文還分析了最近報道的靜電紡絲PVDF薄膜的應用。
圖1.由拉伸和高壓極化電壓產生聚偏氟乙烯（PVDF）和β-PVDF的主相。
圖2.壓電元件的軸定義。
圖3.靜電紡絲/電噴涂裝置。
圖4.靜電紡絲膜形態隨聚合物濃度的變化。原始放大倍率：500×（左）和10k×（右）。電壓：5kV；流速：0.3mL/h；距離：10cm；DMF/丙酮＝8/2。（a）10％，（b）13％，（c）15％，（d）17％，（e）20％
圖5.對于相應的16wt％PVDF溶液，上述電紡膜的β相分數與具有不同“X”/丙酮體積比的混合溶劑的函數關系。“X”代表四種溶劑之一。
圖6.在不同分子量下，定向起皺的電紡PVDF纖維及其橫截面的SEM圖像。（a，d）Mw=180×103。（b，e）Mw＝275×103。（c，f）Mw=530×103。
圖7.通過靜電紡絲PVDF溶液制備不同形態樣品的代表性圖片。（a-c）隨機取向的纖維，（a）起皺，（b）光滑，（c）多孔。（d-f）定向纖維，（d）起皺，（e）光滑，（f）多孔。
圖8.在環境溫度下制備的電紡PVDF納米纖維的FE-SEM圖像：（a）5℃，（b）15℃，（c）25℃，（d）35℃，（e）45℃。
圖9.在不同相對濕度水平下，通過靜電紡絲含35％（w/v）PVDF溶液的DMF制備樣品的橫截面SEM圖像：（A）5％，（B）25％，（C）45％和（D）65％。
圖10.樣品2的（A）SEM和（B）TEM顯微照片。很明顯，BaTiO3纖維嵌入PVDF基質中并沿其纖維軸排列。
圖11.納米復合纖維中鈦酸鋇（BT）納米粒子和石墨烯納米片上β相形成的機理圖。
圖12.β-PVDF基納米發電機的制備流程示意圖和實驗程序的應用。
圖13.具有不同納米粘土含量的PVDF/納米粘土電紡復合納米纖維的SEM圖像：（a）0.0wt％（純PVDF）；（b）0.2wt％STN；（c）1.0wt％STN；（d）5.0wt％STN；（e）10.0wt％STN；（f）1.0wt％SWN；（g）10.0wt％SWN。靜電紡絲電壓為20kV，源到收集器的距離為10cm。比例尺代表2μm。
圖14.（a）不同濃度MWCNTs用量的聚偏氟乙烯（PVDF）/多壁碳納米管（MWCNTs）納米纖維墊的體積和表面電導率；（b）無應力的PVDF/MWCNTs納米發電機的示意圖；（c）PVDF-3％CNTs和PVDF-5％CNTs納米發電機在應力下的工作示意圖；（d）PVDF-7％CNTs和PVDF-10％CNTs納米發電機在應力下的工作示意圖。
圖15.干燥電紡PVDF纖維的FE-SEM顯微照片：（a）不含Al（NO3）3·9H2O；（b）含8wt％Al（NO3）3·9H2O；（c）含16wt％Al（NO3）3·9H2O。
圖16.壓電電紡PVDF膜在不同設備中的應用。
圖17.手指按下釋放過程產生的光學圖像（a）和輸出電壓（b）。商用電表和15個LEDs，它們由手指按下釋放過程中轉換的電能驅動（c）。（d）腕部彎曲，（e）手指拍打以及用（f）腳跟和（g）腳趾踩踏等人體運動產生的光學圖像和輸出電壓。
圖18.（1）腕式PVDF傳感器的結構圖；（2）在不同的手部運動過程中測得的傳感器響應波形，包括（a）拳頭；（b）拇指彎曲；（c）手腕伸展和彎曲；（d）手腕揮舞。
圖19.與PVDF納米纖維（NFs）、PVDF NFs-AgNPs電極的制備以及壓電傳感器的制造相關的示意圖。
圖20.流體域的建模和網格劃分。
圖21.用于手指壓力感測的可穿戴傳感器：（a）附著在手上的傳感器網絡圖。（b，c）當在傳感器網絡上施加單壓力和雙壓力時，測得的電容會發生變化。（d）顯示傳感器在經受動態按壓和釋放循環時電容的相對變化圖。
圖22.硅氧烷自充電超級電容器動力電池（SCSPC）的制備步驟示意圖。（a）表示在冷HCl溶液存在下，通過CaSi2中鈣的拓撲化學脫嵌來制備硅氧烷片，（b）表示靜電紡絲硅氧烷/PVDF壓電纖維的制備步驟，（c）表示以硅氧烷片材涂覆碳布作為兩個對稱電極，以浸漬有離子凝膠電解質的電紡硅氧烷-聚偏氟乙烯壓電纖維作為隔膜來制備硅氧烷SCSPC器件。
圖23.自供電圖案化電致變色超級電容器（ESC）的示意圖。（a）圖案化ESC的制備過程。（b）可穿戴式壓電納米發電機（PENG）的制備過程。（c）逐層格式的自供電圖案化ESC的示意圖。（d）自供電圖案化ESC的等效電路。
微信二維碼
