Studies over de elektrostatische effecten van uitgerekte PVDF-films en nanovezels

Resultaten en discussie

De conformatie van de PVDF-keten, die tijdens het uitrekken geleidelijk van de α-fase met Trans-Gauche-Trans-Gauche (TGTG) naar de β-fase met Trans-Trans (TT) conformatie werd overgebracht, werd gekenmerkt door een PLM. Om een ​​uniform uitgerekte film te verkrijgen tijdens het unidirectionele uitrekken, werd Linkam TST350 gebruikt om de PVDF-film uit te rekken, en de gematigde temperatuur 80 ° C en een relatief langzame uitreksnelheid van 10 μm / s werden aangenomen. Het schematische diagram werd getoond in Fig. 1a. Met de toename van de rekverhouding (λ ), ondergingen de kristalfasen van de PVDF een significante transformatie, veranderden van kristalvorm van bolvormig naar geweven, en uiteindelijk getransformeerd in de β-fase bij λ = 1.3. De overeenkomstige PLM-afbeeldingen tijdens het uitrekken werden getoond in Fig. 1b. Dienovereenkomstig kan worden geconcludeerd dat op λ = 1.3 de α-fase verandert in de β-fase.

een Schematisch diagram van de experimentele opstelling voor het uitrekken van PVDF-film; b De PLM-beelden van PVDF-films tijdens het strekken met verschillende trekverhoudingen, λ = 1 (ik ), λ = 1,02 (ii ), λ = 1,04 (iii ), λ = 1,06 (iv ), λ = 1,08 (v ), λ = 1.1 (vi ), λ = 1.2 (vii ), λ = 1.3 (viii ), λ = 1.4 (ix )

Een reeks karakteriseringen werd uitgevoerd om te bevestigen dat de β-fase inderdaad werd geproduceerd door uitrekken. Infraroodspectra werden bereikt met behulp van een Fourier Transform Infra-Red (FTIR)-spectrofotometer in het golfgetalbereik van 400-1500 cm ⁻¹ . De FTIR-absorptiespectra-analyse toonde aan dat de PVDF-film met α-fase duidelijke karakteristieke absorptiepieken heeft bij 1383 cm ⁻¹ , 976 cm ⁻¹ , 853 cm ⁻¹ , 796 cm ⁻¹ , 764 cm ⁻¹ , 612 cm ⁻¹ , en 530 cm ⁻¹ [14, 45, 46], terwijl PVDF met β-fase duidelijke karakteristieke absorptiepieken heeft bij 1278 cm ⁻¹ , 840 cm ⁻¹ , en 510 cm ⁻¹ [40, 47]. De FTIR significante karakteristieke absorptiepieken van PVDF-films voor en na het uitrekken werden getoond in figuur 2a. Volgens figuur 2a(i) verschenen er significante karakteristieke absorptiepieken bij 976 cm ⁻¹ , 796 cm ⁻¹ , 764 cm ⁻¹ , 612 cm ⁻¹ , en 530 cm ⁻¹ , die typische α-fase-absorptiepieken waren. Het toonde aan dat de kristalfase van de PVDF vóór het uitrekken voornamelijk α-fase was. In Fig. 2a(ii) verscheen de absorptiepiek van de β-fase bij 840 cm ⁻¹ , en de pieken van de -fase-absorptie waren zwakker. Daarom kon worden geconcludeerd dat na rekken de fase in de PVDF-film was getransformeerd.

Kristalkarakterisering van PVDF-films. een FTIR van PVDF-films met verschillende massafracties, origineel (i ), uitgerekt (ii ). b Raman van PVDF-films met verschillende massafracties, origineel (i ), uitgerekt (ii ). c XRD van PVDF-films met verschillende massafracties, origineel (i ), uitgerekt (ii )

Ervan uitgaande dat IR-absorptie de wet van Lambert-Beer [48] volgt, is de A absorptie wordt gegeven door

waar K is de absorptiecoëfficiënt bij het respectieve golfnummer, L is de dikte van monsters, C is de gemiddelde totale monomeerconcentratie, X is de mate van kristalliniteit van elke fase, en I en ik ₀ zijn respectievelijk de doorgelaten straling en de invallende intensiteit. Sindsdien is de Eq. 2 kan worden gebruikt om de inhoud van β-fase in een systeem te berekenen. Gedetailleerde gegevens werden getoond in Aanvullend bestand 1:Fig. S2 in ondersteunende informatie.

De Raman-spectra voor en na het uitrekken van PVDF-films werden getoond in Fig. 2b, de typische α-fase-pieken van PVDF-film verschijnen bij 284 cm ⁻¹ , 410 cm ⁻¹ , 535 cm ⁻¹ , 610 cm ⁻¹ , 795 cm ⁻¹ , en 875 cm ⁻¹ en de β-fase pieken bij 510 cm ⁻¹ en 839 cm ⁻¹ respectievelijk [47, 49]. De resultaten toonden aan dat de conformatie van de PVDF-keten geleidelijk overging van de α-fase met Trans-Gauche-Trans-Gauche (TGTG) naar de β-fase met Trans-Trans (TT) conformatie (waterstof- en fluoratomen aan de tegenovergestelde zijden van de PVDF-ruggengraat ) na het uitrekken. De XRD-karakteriseringen van de PVDF-film voor en na het uitrekken werden getoond in figuur 2c. Onbehandeld PVDF vertoont grote kristallijne pieken bij 18,4 °, 20,0 ° en 26,5°, toegewezen aan respectievelijk (100), (110) en (021) kristalvlakken, aangezien niet-polaire TGTG-conformatie van α-fase aanwezig was in de onbehandelde PVDF-film [49, 50]. In de uitgerekte PVDF-films ontbraken pieken 18,4° en 26,5° volledig en er is slechts één piek bij 20,6° aanwezig, toegewezen aan (110) en (200) kristalvlakken, wat wijst op de vorming van een zuivere β-fasestructuur. PVDF-films met deze dipolen zouden pyro- en piëzo-elektrisch actief kunnen zijn. De laadprestaties en uitgangsspanning/stroomcurves profiteerden van het gebruik als pyro- en piëzo-elektrische polymeersensoren, nanogeneratoren, transducers en andere elektrische toepassingen.

Positief piëzo-elektrisch effect verwijst naar dat de interne polarisatie van het materiaal zal optreden met een vervorming onder invloed van een externe kracht, en een gelijke hoeveelheid tegengestelde lading zal worden gegenereerd op de twee tegenoverliggende oppervlakken. Wanneer de externe kracht wordt verwijderd, keert het diëlektrische materiaal zelf terug naar de oorspronkelijke toestand. Het mechanismediagram werd getoond in figuur 3a. Om de elektrostatische effecten van PVDF te karakteriseren, werd een klein apparaat met PVDF-film ontworpen en met succes gefabriceerd zoals figuur 3b. De piëzo-elektrische stromen werden gecontroleerd met behulp van het vooraf ontworpen circuit, wanneer een normaalkracht op het apparaat werd uitgeoefend met herhaalde pers- en loscycli. Dan zouden de polarisatie en ladingsverplaatsing de piëzo-elektrische ladingen op de oppervlakken van het apparaat regelen, wat resulteert in het externe circuit van de onderste elektrode naar de bovenste elektrode en een duidelijk uitgangsstroomsignaal genereert. De piëzo-elektrische stromen van uitgerekte PVDF-films (λ = 1.3) bij verschillende frequenties werden gecontroleerd door een motor aangedreven onder verschillende spanningen (die werden geleverd door een DC-leverancier). De resultaten gaven aan dat de piëzo-elektrische uitgangsstroom toenam met de toename van massafracties van PVDF-film met dezelfde frequentie. De uitgangsstroom bereikte het maximum toen de PVDF-concentratie 11 gew.% naderde, met een maximale waarde van 600 nA.

Piëzo-elektrische effecten van uitgerekte PVDF-films. een Schematisch diagram van het piëzo-elektrische mechanisme onder invloed van een externe kracht. b Schematisch diagram van de structuren van een gefabriceerd PVDF-dunne-filmapparaat. c Het piëzo-elektrische effect van uitgerekte PVDF-films (λ = 1.3)

Pyro-elektrische materialen kunnen spontane polarisatie vertonen, wat resulteert in positieve en negatieve ladingen op het filmoppervlak bij temperatuurveranderingen. De spontane polarisatie van PVDF-films kan worden veranderd door verwarming of koeling bij Curie-temperatuur, en elektrostatische ladingen kunnen aan beide zijden van de film worden gegenereerd. Het schematische diagram werd getoond in Fig. 4a. De pyro-elektrische effecten van PVDF-films met verschillende massafracties werden gecontroleerd onder verschillende temperaturen (van 60 tot 100 ° C) met behulp van een verwarmingsplaat aangesloten op een DC-leverancier, zoals weergegeven in figuur 4b. Er kon worden waargenomen dat de output van pyro-elektrische stromen toenam met de toename van de temperatuur en een maximale waarde bereikte van 15 pA bij 100 ° C. Net als bij de piëzo-elektrische effecten, namen de pyro-elektrische stromen toe met toenemende massafracties van PVDF-films onder dezelfde temperatuur. De uitgangsstroom bereikte het maximum wanneer de PVDF-concentratie 11 gew.% naderde, wat consistent was met die van piëzo-elektrische effecten, wat aangeeft dat de concentratie van 11 gew.% PVDF-films de meest geschikte concentratie was. Al deze resultaten toonden aan dat de dunne PVDF-film uitstekende pyro- en piëzo-elektrische effecten verwerkt.

Pyro-elektrische effecten van PVDF-films. een Schematisch diagram van het pyro-elektrische werkingsmechanisme onder temperatuurstimulatie; b Schematisch diagram van gefabriceerd PVDF-dunne-filmapparaat; c Meting van pyro-elektrisch effect in PVDF-films

Vanwege het duidelijke elektrostatische effect zou PVDF kunnen werken als potentieel luchtfilterend materiaal door adsorptie van atmosferische deeltjes. Om de luchtfilterende toepassingen van de PVDF te onderzoeken, hebben we een sandwich-gestructureerd nanovezelgaas gefabriceerd door elektrisch spinnen. Zoals getoond in Fig. 5a, bevond zich een PVDF-oplossing met een verschillende massafractie in de naaldbuis en werd de PVDF-oplossing door elektrostatisch spinnen tot PVDF-vezels gemaakt. Een niet-geweven stof met een lagere dichtheid werd gebruikt als het substraat om de PVDF-vezels te ontvangen. Voor de uniform vervaardigde vezels is de gemiddelde diameter ongeveer 250 nm. Later maakten we nanovezelgaasjes die de sandwichstructuur vormden van niet-geweven stof en PVDF-nanovezel. Door verandering van massafractie van PVDF-oplossingen verkregen we overeenkomstige nanovezelgaasjes met verschillende dichtheid. De morfologie van nanovezelmazen onder verschillende massafractie PVDF-oplossingen werd getoond in Fig. 5b. Er kon worden waargenomen dat de dichtheden van de gefabriceerde vezels toenemen met toenemende massafractie van oplossingen.

Fabricaties en eigenschappen van PVDF-nanovezelnetwerken. een Schematisch diagram van het bereidingsproces van elektrostatisch spinnen. b SEM-afbeeldingen van PVDF-nanovezels onder verschillende massafracties:6 gew% (i ); 8 gew% (ii ); 10 gew.% (iii ); 11 gew.% (iv ); 12 gew.% (v ); en13 wt% (vi ). c Piëzo-elektrisch effect van PVDF-nanovezelgaas met verschillende massafracties. d Pyro-elektrisch effect van PVDF-nanovezelgaas met verschillende massafracties

We hebben verder de elektrostatische effecten van het gefabriceerde sandwichgestructureerde PVDF-nanovezelgaas gekarakteriseerd. De nullastspanning werd hier gevolgd omdat de elektrische weerstanden van zowel de niet-geweven stoffen als de nanovezelgaas relatief hoog waren. Met vallen en opstaan ​​​​werden de pyro- en piëzo-elektrische effecten van de gefabriceerde nanovezelmazen getoond in Fig. 5c en d. De resultaten toonden aan dat de PVDF-nanovezel met een concentratie van 11 gew.% de hoogste nullastspanning afleverde, die 0,04 V bij 362 Hz naderde, zoals weergegeven in figuur 5c. De piëzo-elektrische effecten van de nanovezelmazen werden getoond in figuur 5d, de afstemming van 11 gew.% vertoonde ook de hoogste nullastspanning en bereikte 0,01 V bij 100 ° C. De vergelijkbare pyro- en piëzo-elektrische effecten van de PVDF-nanovezel grijpt in op de dunne film, mogelijk vanwege de door druk gegenereerde zekere mate van spanning op de vezel om β-fase te vormen tijdens het elektrostatische spinproces. De uitstekende pyro- en piëzo-elektrische eigenschappen van de gefabriceerde nanovezelgaasjes hebben de potentiële toepassing in elektrostatische filters, draagbare elektronische apparaten of biosensoren.