DOI:10.1021/acsami.0c02578
壓電聚合物是用于可穿戴和可植入應用的有前途的能源材料，可用于替代小型柔性電子器件中的笨重電池。因此，許多研究都集中在分子水平上理解聚合物的行為，并利用聚偏二氟乙烯（PVDF）設計新的聚合物基發生器。本文研究了電壓極性和環境相對濕度對聚偏氟乙烯靜電紡絲的影響。采用顯微和光譜相結合的多技術手段，研究了聚偏氟乙烯纖維的β相含量和壓電性能。研究者對電紡聚偏氟乙烯（PVDF）中β相結晶現象有了新的認識，并在相對濕度為60%時，證明了負電壓極性PVDF纖維基發生器的壓電響應增強。首先，研究者證明了結晶度和表面化學對提高PVDF纖維的壓電性能至關重要。控制相對濕度和電壓極性可使PVDF纖維的d33壓電系數提高3倍以上，使PVDF膜的功率密度達到0.6μW·cm-2。研究表明，靜電紡絲技術可以作為一種單步制備具有不同物理化學性質的PVDF纖維的方法，其β相結晶度可達74%。濕度和電壓極性是影響PVDF纖維壓電性的關鍵因素，這為開發用于能量收集和傳感材料開辟了一條新的途徑。
圖1.示意圖顯示了靜電紡絲法的原理，用于研究濕度和電壓極性對聚偏氟乙烯纖維表面化學的影響。
圖2.掃描電鏡照片和相應的直方圖，包括顯示所有PVDF樣品纖維直徑累積百分比的曲線：（a）PVDF30+，（b）PVDF30-，（c）PVDF60+，（d）PVDF60-。掃描電鏡圖像顯示了具有標準偏差值的纖維平均直徑（Df）。與（f）PVDF30+和（h）PVDF60+的TEM圖像相比，纖維（e）PVDF30+和（g）PVDF60+的冷凍斷裂橫截面的所有樣品的代表性圖像。
圖3.電紡PVDF纖維的表征：（a）PVDF30+和PVDF60+樣品的FTIR光譜，數據垂直移動以便更好的比較，（b）記錄的廣角X射線散射。標記屬于α相（100、020、110和021）和β相（200/110）的擴散峰，并進行了DSC熱掃描。
圖4.單個PVDF纖維的PFM掃描顯示（a）AFM形貌和LPFM圖像，（b）在60%濕度（±）和30%濕度（±）下生產的樣品的PFM振幅匯總。
圖5.用PFM測量PVDF單個纖維的壓電d33系數曲線。
圖6.（a）來自隨機取向的PVDF墊的壓電響應測量裝置和（b）發生器的示意圖。
圖7.由電紡PVDF纖維制備的發電機在H=30%（PVDF30）和H=60%（PVDF60）時的壓電性能：（a）不同PVDF發電機的功率輸出。（b）測試的所有PVDF樣品在1k到100 MΩ負載電阻范圍內的均方根電壓和電流。
微信二維碼
