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用于制造能量收集器的PVDF-HFP纳米纤维的扫描电镜(SEM)分析

 发布时间:2018-03-28 点击量:5021

如今,能源收集正在受到研究界越来越多的关注,这一事实根据研究出版物数量的增长便可证实。 能量收集具有广泛的应用范围,从便携式电子设备(如腕带)到植入式起搏器等医疗设备。 在这个领域,研究人员将他们的注意力集中在满足严格要求的新能源采集器的开发上:他们需要体型轻巧,价格低廉且便携性强。 在这篇博客中,我们将讨论在PDMS和SF基材上制造由PVDF-HFP纳米纤维制成的能量收集器。 我们研究这些能量收集器的特点,以及扫描电镜(SEM)在这项研究中的作用。

 

压电能量收集

 

不断增长的创新设备需求,如运动服或智能手表中的嵌入式传感器,可以关注能量收集。 能量收集器具有将外部能量转换成电能的功能,所谓外部能量,例如,可以从太阳能或热能中获得,电能可以用于为小型电子设备或无线传感器节点供电。 能量收集器需要体积小,重量轻,便宜,便携,灵活,在某些情况下也具有生物相容性。

 

zui常见的能量收集器之一采用压电材料,将机械应变(例如人体运动或噪音)转换为电流或电压。 用于能量收集应用的常用压电材料是聚偏二氟乙烯(PVDF),其提供良好的机电耦合因子,生物相容,轻便且柔韧。  

 

在zui近的一项研究中, 聚偏乙烯氟化物-六氟丙烯 (PVDF-HFP)纳米纤维将作为能量采集的*候选(R. Najjar et al., Polymers 2017, 9, 479)。 纳米纤维的性能与两种不同的基材,即聚二甲基硅氧烷(PDMS)和丝素(SF)组合表征。  

 

*种是合成聚合物,而第二种是天然蛋白质,提供更好的生物相容性和更有利的可持续性。 能量收集器性能的表征包括形态分析,机械性能和机电测试。

 

通过扫描电镜(SEM)分析表征PDMS和丝基底

 

用扫描电镜分析PDMS和丝膜的形态。 根据这种分析,研究了两种类型的丝素蛋白膜:纯丝素蛋白和含有20%甘油的丝素蛋白。

 

由于丝素蛋白会随着时间的推移而变得僵硬脆弱,所以将甘油添加到丝素蛋白中以使其更加柔韧。 20%是增加丝膜柔软度的*甘油含量,并且,不会将薄膜在水中分解。

 

图1显示纯丝素蛋白(A-C),具有甘油的丝素蛋白(D-F)和PDMS膜(G-I)的丝素蛋白的扫描电镜(SEM)图像,观察表面微观结构和形态。 横截面如图1(J-L)所示为纯丝素蛋白,(M-O)为丝素蛋白与甘油,(P-R)为PDMS薄膜。  

 

所有三种材料均显示连续且均匀的结构,没有空隙。 粗糙的横截面表明薄膜的韧性断裂与强大的力学性能有关。

 

图1:显示不同类型的纯丝素蛋白(A-C),具有20%甘油含量(D-F)和PDMS膜(G-I)的丝素蛋白以及显示纯丝素蛋白的横截面的扫描电镜(SEM)图像(J-L),具有20%甘油含量的丝素蛋白(M-O)和PDMS膜(P-R)。

 

对这三种薄膜的力学性能的研究也是非常重要的。 图2显示了三种材料的应力 - 应变曲线。PDMS(蓝色曲线)主要是弹性,具有直至断裂的线性应力 - 应变曲线,显示其总长度的zui大拉伸超过400%,而纯丝素蛋白(粉红色曲线)更硬且屈服应变低于PDMS。

 

图2:PDMS和两种丝素膜的应力 - 应变曲线。

 

来自丝素蛋白测量的数据证明,该材料可以承受更大的力和更大的延伸率,尽管它比PDMS更硬。

 

扫描电镜(SEM)分析PVDF纳米纤维

 

PDVF-HFP纳米纤维使用静电纺丝工艺制造。 生产了两种不同类型的纤维:不规则纳米纤维和对齐,拉伸的纳米纤维。 图3显示了这两种纳米纤维(A和B)的扫描电镜(SEM)图像。  

 

从这些图像中可以测量纤维的直径和方向。 在图3中,显示了随机排列纤维的直径分布(分别为图C和D)。 在*种情况下,直径在600nm到1600nm之间变化,而对于定向纤维,其范围从300nm到700nm之间变化。

 

取向分布(如图E和F所示)表明随机纤维具有更大的取向范围(从-50°到+ 50°),而取向纤维的取向有一个大的峰值在0°左右。

 

图3:传统制备的电纺PVDF-HFP纳米纤维(A)和拉伸的PVDF-HFP纳米纤维(B)的 扫描电镜(SEM)图像 。 随机纳米纤维(CE)和拉伸纳米纤维(DF)的直径分布直方图和取向分布。

 

zui后,进行能量收集测量。 图4显示了PVDF-HFP随机(A)和对齐(B)纳米纤维在PDMS基底上产生的电压。 拉伸和排列的纳米纤维产生的电压是电纺随机纳米纤维的 12倍以上 。

 

图4:在PDMS基材上,随机纳米纤维(A)和排列的纳米纤维(B)的OVDF-HFP纳米纤维的电输出。

 

机电性能表征证明对齐的PVDF-HFP纳米纤维具有更高的压电电阻率,并因此更适合能量收集应用。扫描电镜(SEM)揭示了一种分析纳米纤维形态并测量纤维直径和方向的有力工具。  

 

从那以后,拉伸的纳米纤维被证明对齐并具有更的直径控制。 他们在能量采集测量中的随机纳米纤维也超过了10倍以上。

 

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