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注，這一事實根據研究出版物數量的增長便可證實。 能量收集具有廣泛的應用范圍，從便攜式電子設備（如腕帶）到植入式起搏器等醫(yī)療設備。 在這個領域，研究人員將他們的注意力集中在滿足嚴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)新設備需求，如運動服或智能手表中的嵌入式傳感器，可以關注能量收集。 能量收集器具有將外部能量轉換成電能的功能，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，將機械應變（例如人體運動或噪音）轉換為電流或電壓。 用于能量收集應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，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，觀察表面微觀結構和形態(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)且均勻的結構，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性能有關。

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性能的研究也是非常重要的。 圖2顯示了三種材料的應力 - 應變曲線。PDMS（藍色曲線）主要是彈性，具有直至斷裂的線性應力 - 應變曲線，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）更硬且屈服應變低于PDMS。

圖2：PDMS和兩種絲素膜的應力 - 應變曲線。

來自絲素蛋白測量的數據證明，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基底上產生的電壓。 拉伸和排列的納米纖維產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。