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文|念一
编辑|南笙墨舞
前言
电纺聚偏二氟乙烯/钛酸钡纳米发电机的压电振动能量的数据十分重要，为了获得最高的压电输出值，使用四种不同的溶剂体积比丙酮/二甲基甲酰胺进行电纺，并使用三种不同的PVDF重量百分比聚合物浓度。
使用傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜技术对PVDF和PVDF/BaTiO3的形貌和结晶结构进行分析。制造纳米复合压电聚合物纳米发电机来收集振动能量，开发一个无尖端质量型悬臂梁系统进行压电能量收集测试。
聚合物的特性
在实验第一阶段，选择了三种不同的聚合物溶液，其PVDF重量百分比浓度分别为10%、15%和20%。每种聚合物溶液在四种不同的丙酮/DMF溶剂体积比下分别为0:10、2:8、4:6和6:4进行溶解，获得均匀的溶液。
每种聚合物溶液用字母和数字表示，字母X、Y和Z分别代表10%、15%和20%的PVDF重量百分比浓度。另外，数字1、2、3和4分别代表0:10、2:8、4:6和6:4的溶剂体积比。
第二阶段选择Y4参数来制备PVDF/BaTiO3纳米复合材料。BaTiO3相对于聚合物的浓度分别选择为5 wt%、10 wt%和15 wt%。将每种溶液在室温下经过水浴超声超声处理1小时，以使BaTiO3粉末分散在丙酮/DMF溶液中。
在添加PVDF粉末后，将总溶液在50°C下搅拌10小时。搅拌过程中PVDF溶液呈现透明均匀的溶液，PVDF/BaTiO3溶液呈现不透明均匀的溶液。
将每种聚合物溶液加入到带有不锈钢针头的10 mL塑料注射器中，塑料注射器水平安装在注射泵上，使用注射泵以固定速率0.8 mL/min供料给不锈钢针头。
高直流电压源的正探头连接到钢针，地探头夹在覆有铝箔的铝板上，电纺过程在室温下施加14 kV进行。钢针尖到接地收集板之间的距离为15 cm。
电纺过程后，电纺纤维放置在通风橱中去除溶剂。所有操作均在无尘环境、20±2°C的室温和50%的湿度下进行。电纺PVDF/BaTiO3和电纺PVDF的电纺参数是相同的。
对电纺纤维的FTIR测量在600 cm^(-1)至4000 cm^(-1)波数范围内进行，分辨率为4 cm^(-1)，共进行32次扫描。
在扫描电子显微镜成像之前，将电纺纤维样品涂覆金属层。使用ZEISS Evo 40扫描电子显微镜以20 kV加速电压检查电纺纤维的形貌，使用Image J软件和3000倍、6000倍和10000倍放大倍率的SEM图像来确定平均纳米纤维直径。
为了获得压电效应，将厚度为50μm、宽度为2 cm、长度为6 cm的电纺纤维垫放在两个12μm铝电极之间。将导电铜线连接到上部和底部电极。使用薄胶带将压电芯片结构固定在一起。
为了完成压电聚合物纳米发电机，在热层压设备中，将芯片结构夹在两个125μm厚的聚酯层压膜之间。使用表面积为12 cm²的PPN从振动中收集压电能量。
通过螺钉将压电聚合物纳米发电机夹在两个聚氧化亚乙烯块之间，以实现悬臂梁结构。将悬臂梁装置使用螺母安装在电磁振动器上。电磁振动器产生悬臂梁结构激励频率所需的动态力，采用无尖端质量的悬臂梁用于压电能量收集。
振动发生器通过函数发生器作为功率放大器进行控制，使用Marxlow KXN-3020D作为直流电源。使用KEYSIGHT MSOX3034T示波器测量输出电压。在不同负载电阻下计算振动能量收集值。
创建PPN的有限元模型，以确定悬臂梁结构的固有频率，使用Abaqus/Standard求解器进行频率分析。选择复合叠层建模技术，创建具有354μm总厚度的复合梁的五层结构。有限元模型由350个线性四边形元素和396个节点组成，为梁的端点应用了固定边界条件。
频率的步骤工具箱选择悬臂梁的前12个基本频率，进行有限元分析以预测压电聚合物纳米复合材料能量发生器的固有频率。在系统的第一个固有频率处观察到最大应变。通过第一个固有频率值确定了纳米发电机的最有效压电性能。
电纺的影响因素
扫描电子显微镜对电纺PVDF和PVDF/BaTiO3纳米纤维进行了形貌分析，研究显示具有三种不同聚合物溶液浓度和四种不同溶剂比的电纺PVDF纳米纤维结构的SEM图像。SEM图像以10 μm为标度和3000倍放大倍率给出。
在电纺过程中，电场产生的静电力必须克服聚合物溶液的表面张力才能形成纳米纤维。在低聚合物浓度下，由于聚合物分子之间的相互作用较弱，溶液的粘度降低。电纺过程中出现了颗粒状结构。
随着聚合物浓度的增加，聚合物分子链之间的相互作用增强，溶液的粘度增加，形成了更平滑的纳米纤维结构。在这种情况下，聚合物溶液中发生了更强的聚合物分子链纠缠，并且更难以被电场拉伸。电纺喷射中发生连续性中断，减少了纳米纤维的形成，并增加了PVDF基膜的颗粒状结构。
溶剂中的丙酮浓度对纳米纤维结构的形成有显著影响。随着溶剂中丙酮浓度的增加，PVDF基膜中的颗粒数目减少，丙酮增加了溶剂混合物的挥发性。由于溶剂的高挥发速率，整个电纺过程中形成了更平滑的纳米纤维。在溶液中丙酮
比例增加的另一个显著结果是纳米纤维直径的增加。
对于5 wt％、10 wt%和15 wt%掺杂的电纺PVDF/BaTiO3纳米复合材料，保持PVDF和溶剂比的常数。SEM图像显示在2000倍和6000倍放大倍率下，观察到了光滑的纳米纤维形成。
只有在C中看到了颗粒状结构，随着BaTiO3比例的增加，电纺过程中针尖处喷射时发生了不连续性，这导致了颗粒状结构的形成。纳米纤维的直径在Image J软件中计算。
研究显示了X4、Y2、Y3、Y4和Z3的纳米纤维大小分布，显示了PVDF/BaTiO3纳米复合材料的纳米纤维大小分布。对于每个SEM图像进行了七十次读数以计算平均纳米纤维直径，在电纺PVDF基膜中，Z3具有最大的平均纤维直径，为888.1 nm。
在20％浓度和丙酮/DMF溶剂比的聚合物溶液中，由于高挥发速率导致了从针尖到收集器的完全蒸发，然后由于高表面张力引起的聚合物链之间的固体高分子相互作用。
电纺喷射没有形成。溶剂中丙酮比例作为控制电纺过程的关键参数，影响PVDF纳米纤维的大小和形态。众所周知，随着电压水平的增加，电纺喷射将受到更大的拉伸力，并且在纤维基膜中β相分数将增加。
高电压将在收集器和针尖之间产生更高的电场，高电场将引起更高的极化过程，结果，β相比例将更高。高拉伸力可能会导致电纺喷射中断，并在纳米纤维内形成颗粒状结构。
针尖到收集器距离参数以两种方式影响β相形成，如果TCD增加，纳米纤维将有足够的时间拉伸并溶剂蒸发，这将对β相形成产生积极影响。
另一方面，TCD的增加将有害于β相形成，因为电场强度将减小，并且电纺喷射的连续性将被破坏。另一个参数供给速率，直接影响泰勒锥形成和电纺纤维形态。低供给速率会在针尖产生真空，在高供给速率下，聚合物将积聚到针尖，从而破坏泰勒锥的形成。
在电纺过程中，对于形成无颗粒纳米纤维，每个应用电压都需要适当且最佳的供给速率。
电压、供给速率和距离被选择并保持恒定。对溶剂类型，溶液浓度和填料浓度参数对纳米纤维结构形态的影响进行了深入研究。
PVDF基膜的压电性质取决于β相含量，使用FTIR测量进行PVDF相分析。 FTIR在PVDF相分析中得到了广泛应用，因为它是一种低成本、快速和实用的方法。许多研究已经验证了从FTIR研究中获得的波数，其定义了PVDF的相，并且以840 cm-1的波数清楚地描述了β相。
对每个样品进行FTIR分析，以确定β相含量。随着丙酮/DMF比例的增加，β相比例稳步增加，在电纺PVDF基膜中，Y4的β相比例最高，为81％。丙酮的加入降低了聚合物溶液的粘度。
在电纺过程中，拉伸力克服了溶液的表面张力，从而获得光滑的纳米纤维。丙酮比例的拉伸力较大，导致了高β相分数。根据FTIR结果，β相形成中最关键的参数是丙酮/DMF比例。
制造压电聚合物纳米发电机来比较电纺基膜的压电性能，压电聚合物纳米发电机用于从振动中收集能量，以谐振频率测试了悬臂梁型能量收集器，以获得PPN的最大输出性能。在进行测试之前，创建了一个没有尖端质量的悬臂梁的有限元模型，系统的第一个基频为15.17 Hz。
使用函数发生器将15.7 Hz频率应用于电磁振动器，PPN的尖端位移测量为20 mm。对每个压电聚合物纳米发电机进行了高幅谐振频率测试。
PPN信号曲线由两个弯曲阶段组成，纳米纤维中的偶极矩由于弯曲负载而定向，PPN电极之间产生电势差，通过正极和负极将电荷传递到电路中。
随着丙酮/DMF比例的变化，β相含量直接影响压电输出，形态结构也影响输出电压值。压电输出源是建立在电纺PVDF结构中的偶极矩。 Y4相比X4、Z3和其他的压电性能表现更好的主要科学原因有两个。
第一个主要原因是在电纺过程中，溶液中丙酮的比例增加，导致无颗粒纤维结构。通过这种方式诱导了更多的β相，β相比例直接影响压电输出性能。另一个原因是，根据无颗粒纤维结构的形成，由于纳米纤维之间的偶极矩，更高水平的电子电荷转移。
在电纺法的极化过程中，PVDF和BaTiO3纳米颗粒中的偶极矩被定向在极化方向上。实验给出了电纺PVDF/BaTiO3纳米复合材料的SEM图像，放大倍数为10,000倍。这种性能增加的主要原因可以通过解释电纺过程后发生的形态结构变化来解释。
在电纺过程中的电场诱导极化过程中，PVDF聚合物链和BaTiO3纳米颗粒中的偶极矩被定向在极化方向上。对于A，BaTiO3纳米颗粒在PVDF纳米纤维内的分布是线性和均匀的。通过这种方式，PVDF纳米纤维的偶极矩和BaTiO3压电纳米颗粒的偶极矩形成单一纤维的总偶极矩。
由于BaTiO3纳米颗粒的均匀分布，所有在纳米发电器机械振动下的纳米纤维中的偶极矩传递更多的电荷到电极表面，并提供了较高的压电输出。BaTiO3纳米颗粒在PVDF纳米纤维中不均匀分布，导致偶极矩方向的扭曲。
在这种情况下，偶极矩的总数将减少，并且将较少的电荷传递到电极表面。由于机械振动，压电输出不会增加。由于BaTiO3比例高导致的微细珠状结构的形成也会影响现有偶极矩的分布。在这种情况下，与纯PVDF相比，电荷传递到电极的量进一步减少。
结论
通过使用傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜，研究了溶剂比例和聚合物浓度对电纺PVDF纳米纤维的结晶度和形貌的影响。在电纺过程中使用了四种不同的溶剂比例和三种不同的聚合物浓度。
基于最佳溶液参数，使用5%、10%和15%的三种不同的BaTiO3纳米颗粒重量百分比，制备了电纺PVDF/BaTiO3纳米复合材料纤维膜。压电聚合物纳米发电器在不同负载电阻下进行了性能研究。
确定PPN的功率输出值，并使用整流桥电路通过PVDF/BaTiO3压电聚合物纳米发电器给1μF 50 V电容器充电。研究表明，电纺PVDF/BaTiO3柔性纳米复合材料纳米发电器适用于大振幅振动能量收集。
观察到在电纺PVDF纳米纤维结构中，选择适当的纳米颗粒增强纳米复合材料研究参数对于压电功率输出有积极作用。
参考文献
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