用于制造能量收集器的PVDF-HFP納米纖維的掃描電鏡（SEM）分析

如今，能源收集正在受到研究界越來越多的關(guān)注，這一事實根據(jù)研究出版物數(shù)量的增長便可證實。 能量收集具有廣泛的應(yīng)用范圍，從便攜式電子設(shè)備（如腕帶）到植入式起搏器等醫(yī)療設(shè)備。 在這個領(lǐng)域，研究人員將他們的注意力集中在滿足嚴(yán)格要求的新能源采集器的開發(fā)上：他們需要體型輕巧，價格低廉且便攜性強。 在這篇博客中，我們將討論在PDMS和SF基材上制造由PVDF-HFP納米纖維制成的能量收集器。 我們研究這些能量收集器的特點，以及掃描電鏡（SEM）在這項研究中的作用。

壓電能量收集

不斷增長的創(chuàng)新設(shè)備需求，如運動服或智能手表中的嵌入式傳感器，可以關(guān)注能量收集。 能量收集器具有將外部能量轉(zhuǎn)換成電能的功能，所謂外部能量，例如，可以從太陽能或熱能中獲得，電能可以用于為小型電子設(shè)備或無線傳感器節(jié)點供電。 能量收集器需要體積小，重量輕，便宜，便攜，靈活，在某些情況下也具有生物相容性。

最常見的能量收集器之一采用壓電材料，將機械應(yīng)變（例如人體運動或噪音）轉(zhuǎn)換為電流或電壓。 用于能量收集應(yīng)用的常用壓電材料是聚偏二氟乙烯（PVDF），其提供良好的機電耦合因子，生物相容，輕便且柔韌。  

在最近的一項研究中， 聚偏乙烯氟化物-六氟丙烯 （PVDF-HFP）納米纖維將作為能量采集的最佳候選（R. Najjar et al., Polymers 2017, 9, 479）。 納米纖維的性能與兩種不同的基材，即聚二甲基硅氧烷（PDMS）和絲素（SF）組合表征。  

第一種是合成聚合物，而第二種是天然蛋白質(zhì)，提供更好的生物相容性和更有利的可持續(xù)性。 能量收集器性能的表征包括形態(tài)分析，機械性能和機電測試。

通過掃描電鏡（SEM）分析表征PDMS和絲基底

用掃描電鏡分析PDMS和絲膜的形態(tài)。 根據(jù)這種分析，研究了兩種類型的絲素蛋白膜：純絲素蛋白和含有20％甘油的絲素蛋白。

由于絲素蛋白會隨著時間的推移而變得僵硬脆弱，所以將甘油添加到絲素蛋白中以使其更加柔韌。 20％是增加絲膜柔軟度的最佳甘油含量，并且，不會將薄膜在水中分解。

圖1顯示純絲素蛋白（A-C），具有甘油的絲素蛋白（D-F）和PDMS膜（G-I）的絲素蛋白的掃描電鏡（SEM）圖像，觀察表面微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)。 橫截面如圖1（J-L）所示為純絲素蛋白，（M-O）為絲素蛋白與甘油，（P-R）為PDMS薄膜。  

所有三種材料均顯示連續(xù)且均勻的結(jié)構(gòu)，沒有空隙。 粗糙的橫截面表明薄膜的韌性斷裂與強大的力學(xué)性能有關(guān)。

圖1：顯示不同類型的純絲素蛋白（A-C），具有20％甘油含量（D-F）和PDMS膜（G-I）的絲素蛋白以及顯示純絲素蛋白的橫截面的掃描電鏡（SEM）圖像（J-L），具有20％甘油含量的絲素蛋白（M-O）和PDMS膜（P-R）。

對這三種薄膜的力學(xué)性能的研究也是非常重要的。 圖2顯示了三種材料的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。PDMS（藍(lán)色曲線）主要是彈性，具有直至斷裂的線性應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，顯示其總長度的最大拉伸超過400％，而純絲素蛋白（粉紅色曲線）更硬且屈服應(yīng)變低于PDMS。

圖2：PDMS和兩種絲素膜的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。

來自絲素蛋白測量的數(shù)據(jù)證明，該材料可以承受更大的力和更大的延伸率，盡管它比PDMS更硬。

掃描電鏡（SEM）分析PVDF納米纖維

PDVF-HFP納米纖維使用靜電紡絲工藝制造。 生產(chǎn)了兩種不同類型的纖維：不規(guī)則納米纖維和對齊，拉伸的納米纖維。 圖3顯示了這兩種納米纖維（A和B）的掃描電鏡（SEM）圖像。  

從這些圖像中可以測量纖維的直徑和方向。 在圖3中，顯示了隨機排列纖維的直徑分布（分別為圖C和D）。 在第一種情況下，直徑在600nm到1600nm之間變化，而對于定向纖維，其范圍從300nm到700nm之間變化。

取向分布（如圖E和F所示）表明隨機纖維具有更大的取向范圍（從-50°到+ 50°），而取向纖維的取向有一個大的峰值在0°左右。

圖3：傳統(tǒng)制備的電紡PVDF-HFP納米纖維（A）和拉伸的PVDF-HFP納米纖維（B）的 掃描電鏡（SEM）圖像 。 隨機納米纖維（CE）和拉伸納米纖維（DF）的直徑分布直方圖和取向分布。

最后，進(jìn)行能量收集測量。 圖4顯示了PVDF-HFP隨機（A）和對齊（B）納米纖維在PDMS基底上產(chǎn)生的電壓。 拉伸和排列的納米纖維產(chǎn)生的電壓是電紡隨機納米纖維的 12倍以上 。

圖4：在PDMS基材上，隨機納米纖維（A）和排列的納米纖維（B）的OVDF-HFP納米纖維的電輸出。

機電性能表征證明對齊的PVDF-HFP納米纖維具有更高的壓電電阻率，并因此更適合能量收集應(yīng)用。掃描電鏡（SEM）揭示了一種分析納米纖維形態(tài)并測量纖維直徑和方向的有力工具。  

從那以后，拉伸的納米纖維被證明最好對齊并具有更精確的直徑控制。 他們在能量采集測量中的隨機納米纖維也超過了10倍以上。