신장된 PVDF 필름 및 나노섬유의 정전기 효과에 관한 연구

결과 및 토론

스트레칭 동안 Trans-Gauche-Trans-Gauche(TGTG) 형태의 α상에서 Trans-Trans(TT) 형태의 β상으로 점진적으로 이동하는 PVDF 사슬의 형태는 PLM을 특징으로 합니다. 단방향 연신 시 균일하게 연신된 필름을 얻기 위해 Linkam TST350을 사용하여 PVDF 필름을 연신하고 적당한 온도 80°C와 상대적으로 느린 연신속도 10μm/s를 채택하였다. 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다. 연신율의 증가(λ ), PVDF의 결정상은 상당한 변형을 겪으며 결정 형태가 구형에서 직조로 바뀌었고 최종적으로 λ에서 β상으로 변형되었습니다. =1.3. 스트레칭 중 해당 PLM 이미지는 그림 1b에 나와 있습니다. 따라서 λ에서 =1.3 α상은 β상으로 변환됩니다.

아 PVDF 필름의 스트레칭을 위한 실험 설정의 개략도; ㄴ 인장비 λ를 다르게 하여 연신하는 동안 PVDF 필름의 PLM 이미지 =1 (나 ), 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 )

β-상이 스트레칭에 의해 실제로 생성되었는지 확인하기 위해 일련의 특성화를 수행했습니다. 적외선 스펙트럼은 400–1500cm의 파수 범위에서 FTIR(푸리에 변환 적외선) 분광 광도계를 사용하여 얻었습니다. ⁻¹ . FTIR 흡수 스펙트럼 분석에 따르면 α상의 PVDF 필름은 1383cm ^-1 에서 뚜렷한 특징적인 흡수 피크를 나타냅니다. , 976cm ⁻¹ , 853cm ⁻¹ , 796cm ⁻¹ , 764cm ⁻¹ , 612cm ⁻¹ 및 530cm ⁻¹ [14, 45, 46], β상을 갖는 PVDF는 1278cm ^-1 에서 뚜렷한 특징적인 흡수 피크를 가지고 있습니다. , 840cm ⁻¹ 및 510cm ⁻¹ [40, 47]. 스트레칭 전후의 PVDF 필름의 FTIR 유의한 특성 흡수 피크는 그림 2a에 나와 있습니다. 그림 2a(i)에 따르면 976cm ^-1 에서 현저한 특성 흡수 피크가 나타났습니다. , 796cm ⁻¹ , 764cm ⁻¹ , 612cm ⁻¹ 및 530cm ⁻¹ , 이는 전형적인 α상 흡수 피크였다. 연신 전 PVDF의 결정상은 주로 α상임을 보여주었다. 그림 2a(ii)에서 β상의 흡수 피크는 840cm ^-1 에서 나타났습니다. , 그리고 α상 흡수의 피크는 더 약했다. 따라서, 연신 후 PVDF 필름의 상이 변형된 것으로 결론지을 수 있습니다.

PVDF 필름의 결정 특성. 아 질량 분율이 다른 PVDF 필름의 FTIR, 원본(i ), 늘어남(ii ). ㄴ 질량 분율이 다른 PVDF 필름의 라만, 원본(i ), 늘어남(ii ). ㄷ 질량 분율이 다른 PVDF 필름의 XRD, 원본(i ), 늘어남(ii )

IR 흡수가 Lambert-Beer 법칙[48]을 따른다고 가정하면, A 흡광도는

여기서 K 각 파수에서 흡수 계수, L 샘플의 두께, C 평균 총 단량체 농도, X 는 각 상의 결정화도이며 I 그리고 나 ₀ 각각 투과 및 입사 강도 방사선입니다. 그 이후로 Eq. 2는 시스템에서 β상의 함량을 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 자세한 데이터는 추가 파일 1:지원 정보의 그림 S2에 나와 있습니다.

PVDF 필름의 스트레칭 전후의 라만 스펙트럼은 그림 2b에 나와 있으며, PVDF 필름의 일반적인 α상 피크는 284cm ^-1 에서 나타납니다. , 410cm ⁻¹ , 535cm ⁻¹ , 610cm ⁻¹ , 795cm ⁻¹ , 875cm ⁻¹ 510cm ⁻¹ 에서 β상 피크 및 839cm ⁻¹ 각각 [47, 49]. 결과는 PVDF 사슬의 형태가 TGTG(Trans-Gauche-Trans-Gauche)를 갖는 α-상에서 Trans-Trans(TT) 형태(PVDF 백본의 반대쪽에 있는 수소 및 불소 원자)를 갖는 β-상으로 점진적으로 전이되었음을 보여주었다. ) 스트레칭 후. 스트레칭 전후의 PVDF 필름의 XRD 특성은 그림 2c에 나와 있습니다. 처리되지 않은 PVDF는 18.4°, 20.0° 및 26.5°에서 주요 결정 피크를 나타내며, 이는 각각 (100), (110) 및 (021) 결정면에 할당되는데, 이는 α상의 비극성 TGTG 형태가 처리되지 않은 PVDF 필름에 존재하기 때문입니다 [49, 50]. 연신된 PVDF 필름에서 피크 18.4° 및 26.5°는 완전히 누락되었고 20.6°에서 하나의 피크만 존재하며 (110) 및 (200) 결정면에 할당되어 순수한 β-상 구조의 형성을 나타냅니다. 이러한 쌍극자를 갖는 PVDF 필름은 초전 및 압전 활성이 될 수 있습니다. 충전 성능과 출력 전압/전류 곡선은 초압 및 압전 폴리머 센서, 나노발전기, 변환기 및 기타 전기 애플리케이션으로 사용하는 데 도움이 됩니다.

양의 압전 효과는 외부 힘의 작용으로 재료의 내부 분극이 변형과 함께 발생하고 반대되는 두 표면에 동일한 양의 반대 전하가 생성되는 것을 말합니다. 외력이 제거되면 유전체 자체가 초기 상태로 돌아갑니다. 메커니즘 다이어그램은 그림 3a에 나와 있습니다. PVDF의 정전기 효과를 특성화하기 위해 PVDF 필름이 있는 소형 장치를 설계하고 그림 3b와 같이 성공적으로 제작했습니다. 압전 전류는 사전 설계된 회로를 사용하여 반복적인 프레스 및 릴리스 주기로 소자에 수직력이 가해질 때 모니터링되었습니다. 그런 다음 분극 및 전하 변위가 장치 표면의 압전 전하를 조절하여 외부 회로가 하단 전극에서 상단 전극으로 연결되고 명백한 출력 전류 신호를 생성합니다. 연신된 PVDF 필름의 압전 전류(λ =1.3) 다른 주파수에서 다른 전압(DC 공급업체에서 공급)으로 구동되는 모터에 의해 모니터링되었습니다. 결과는 동일한 주파수에서 PVDF 필름의 질량 분율이 증가함에 따라 출력 압전 전류가 증가함을 나타냅니다. 출력 전류는 PVDF 농도가 최대값 600nA로 11wt%에 접근했을 때 최대값에 도달했습니다.

연신 PVDF 필름의 압전 효과. 아 외부 힘의 작용에 따른 압전 메커니즘의 개략도. ㄴ 제작된 PVDF 박막 소자의 구조 모식도. ㄷ 연신된 PVDF 필름의 압전 효과(λ =1.3)

초전성 물질은 자발적 분극을 나타내어 온도 변화에 따라 필름 표면에 양전하와 음전하를 일으킬 수 있습니다. PVDF 필름의 자발적 분극은 퀴리 온도에서 가열 또는 냉각에 의해 변경될 수 있으며 필름의 양면에 정전기 전하가 생성될 수 있습니다. 개략도는 그림 4a에 나와 있습니다. 질량 분율이 다른 PVDF 필름의 초전 효과는 그림 4b와 같이 DC 공급 장치에 연결된 열판을 사용하여 다양한 온도(60~100°C)에서 모니터링되었습니다. 초전류의 출력은 온도가 증가함에 따라 증가하고 100°C에서 최대값 15pA에 도달함을 관찰할 수 있습니다. 압전 효과와 유사하게 동일한 온도에서 PVDF 필름의 질량 분율이 증가함에 따라 초전류가 증가했습니다. 출력 전류는 PVDF 농도가 11wt%에 가까워지면 최대값에 도달하여 압전 효과와 일치하여 PVDF 필름의 11wt% 농도가 가장 적합한 농도임을 나타냅니다. 이 모든 결과는 PVDF 박막이 우수한 초전 및 압전 효과를 처리한다는 것을 보여주었습니다.

PVDF 필름의 초전 효과. 아 온도 자극 하에서 초전기 작동 메커니즘의 개략도; ㄴ 제작된 PVDF 박막 소자의 개략도; ㄷ PVDF 필름의 초전 효과 측정

뚜렷한 정전기 효과로 인해 PVDF는 대기 미립자를 흡착하여 잠재적인 공기 여과 물질로 작용할 수 있습니다. PVDF의 공기 여과 응용 프로그램을 탐색하기 위해 전기 방사에 의해 샌드위치 구조의 나노 섬유 메쉬를 제작했습니다. Fig. 5a에서 보는 바와 같이 니들튜브에 질량분율이 다른 PVDF 용액을 넣고 정전방사하여 PVDF 용액을 PVDF 섬유로 만들었다. PVDF 섬유를 수용하기 위한 기재로 밀도가 낮은 부직포를 채택하였다. 균일하게 제작된 섬유의 경우 평균 직경은 약 250nm입니다. 나중에 우리는 부직포와 PVDF 나노섬유로 샌드위치 구조의 나노섬유 메쉬를 만들었습니다. PVDF 용액의 질량 분율 변화를 통해 밀도가 다른 해당 나노 섬유 메쉬를 얻었습니다. 다른 질량 분율 PVDF 용액에서 나노 섬유 메쉬의 형태는 그림 5b에 나와 있습니다. 용액의 질량 분율이 증가함에 따라 가공된 섬유의 밀도가 증가함을 관찰할 수 있었다.

PVDF 나노섬유 메쉬의 제조 및 특성. 아 정전기 방적 준비 과정의 개략도. ㄴ 다양한 질량 분율에서 PVDF 나노섬유의 SEM 이미지:6wt%(i ); 8중량%(ii ); 10중량%(iii ); 11중량%(iv ); 12중량%(v ); 및13중량%(vi ). ㄷ 질량 분율이 다른 PVDF 나노섬유 메쉬의 압전 효과. d 질량 분율이 다른 PVDF 나노섬유 메쉬의 초전 효과

우리는 제작된 샌드위치 구조의 PVDF 나노섬유 메쉬의 정전기 효과를 추가로 특성화했습니다. 여기에서는 부직포와 나노섬유 메쉬의 전기저항이 상대적으로 높기 때문에 개방전압을 모니터링하였다. 시행 착오를 통해 제작 된 나노 섬유 메쉬의 초압 및 압전 효과가 그림 5c 및 d에 표시되었습니다. 결과는 11wt% 농도의 PVDF 나노섬유가 그림 5c와 같이 362Hz에서 0.04V에 가까운 가장 높은 개방 회로 전압을 출력함을 보여주었습니다. 나노섬유 메쉬의 압전 효과는 그림 5d에 나와 있으며, 11wt%의 결합도 100°C에서 0.01V에 도달하는 가장 높은 개방 회로 전압을 나타냈습니다. 박막과 PVDF 나노섬유 메쉬의 유사한 초전 및 압전 효과는 정전기 방사 과정에서 β상을 형성하기 위해 섬유에 압력이 생성된 특정 정도의 장력 때문일 수 있습니다. 제작된 나노섬유 메쉬의 우수한 열전 및 압전 특성은 정전기 필터, 웨어러블 전자 장치 또는 바이오센서에 잠재적으로 응용할 수 있습니다.