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(shí)根據(jù)研究出版物數(shù)量的增長(zhǎng)便可證實(shí)。 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(gè)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(jià)格低廉且便攜性強(qiáng)。 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(diǎn),以及掃描電鏡(SEM)在這項(xiàng)研究中的作用。
壓電能量收集
不斷增長(zhǎng)的創(chuàng)新設(shè)備需求,如運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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。
zui常見的能量收集器之一采用壓電材料,將機(jī)械應(yīng)變(例如人體運(yùn)動(dòng)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(jī)電耦合因子,生物相容,輕便且柔韌。
在zui近的一項(xiàng)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*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。
*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(jī)械性能和機(jī)電測(cè)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(huì)隨著時(shí)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*甘油含量,并且,不會(huì)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(qiáng)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(duì)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(zhǎng)度的zui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(cè)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(duì)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(cè)量纖維的直徑和方向。 在圖3中,顯示了隨機(jī)排列纖維的直徑分布(分別為圖C和D)。 在*種情況下,直徑在600nm到1600nm之間變化,而對(duì)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(jī)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(gè)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(jī)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。
zui后,進(jìn)行能量收集測(cè)量。 圖4顯示了PVDF-HFP隨機(jī)(A)和對(duì)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(jī)納米纖維的 12倍以上 。
圖4:在PDMS基材上,隨機(jī)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(jī)電性能表征證明對(duì)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(cè)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對(duì)齊并具有更的直徑控制。 他們?cè)谀芰坎杉瘻y(cè)量中的隨機(jī)納米纖維也超過了10倍以上。
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