Estudios sobre los efectos electrostáticos de películas y nanofibras de PVDF estiradas

Resultados y discusión

La conformación de la cadena PVDF, que se transfirió gradualmente de la fase α con Trans-Gauche-Trans-Gauche (TGTG) a la fase β con conformación Trans-Trans (TT) durante el estiramiento, se caracterizó por un PLM. Para obtener una película estirada uniformemente durante el estiramiento unidireccional, se utilizó Linkam TST350 para estirar la película de PVDF, y se adoptó una temperatura moderada de 80 ° C y una velocidad de estiramiento relativamente lenta de 10 μm / s. El diagrama esquemático se muestra en la Fig. 1a. Con el aumento de la relación de estiramiento ( λ ), las fases cristalinas del PVDF sufrieron una transformación significativa, cambiaron la forma del cristal de esférica a tejida y finalmente se transformaron en la fase β en λ =1.3. Las imágenes PLM correspondientes durante el estiramiento se muestran en la Fig. 1b. En consecuencia, se podría concluir que en λ =1.3 la fase α se transforma en la fase β.

un Diagrama esquemático de la configuración experimental para estirar película de PVDF; b Las imágenes PLM de películas de PVDF durante el estiramiento con diferentes relaciones de tracción, λ =1 ( i ), λ =1.02 ( ii ), λ =1.04 ( iii ), λ =1.06 ( iv ), λ =1.08 ( v ), λ =1.1 (v i ), λ =1.2 ( vii ), λ =1.3 (v iii ), λ =1.4 ( ix )

Se realizaron una serie de caracterizaciones para confirmar que la fase β se produjo efectivamente por estiramiento. Los espectros infrarrojos se lograron utilizando un espectrofotómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) en el rango de números de onda de 400 a 1500 cm ⁻¹ . El análisis de espectros de absorción FTIR mostró que la película de PVDF con fase α tiene picos de absorción característicos distintos a 1383 cm ⁻¹ , 976 cm ⁻¹ , 853 cm ⁻¹ , 796 cm ⁻¹ , 764 cm ⁻¹ , 612 cm ⁻¹ y 530 cm ⁻¹ [14, 45, 46], mientras que el PVDF con fase β tiene picos de absorción característicos distintos a 1278 cm ⁻¹ , 840 cm ⁻¹ y 510 cm ⁻¹ [40, 47]. Los picos de absorción característicos significativos de FTIR de las películas de PVDF antes y después del estiramiento se muestran en la Fig. 2a. Según la Fig. 2a (i), aparecieron picos de absorción característicos significativos a 976 cm ⁻¹ , 796 cm ⁻¹ , 764 cm ⁻¹ , 612 cm ⁻¹ y 530 cm ⁻¹ , que eran picos de absorción de fase α típicos. Demostró que la fase cristalina del PVDF antes del estiramiento era principalmente la fase α. En la Fig. 2a (ii), el pico de absorción de la fase β apareció a 840 cm ^-1 , y los picos de absorción de la fase α fueron más débiles. Por lo tanto, se pudo concluir que después del estiramiento, la fase en la película de PVDF se transformó.

Caracterización cristalina de películas de PVDF. un FTIR de películas de PVDF con diferentes fracciones de masa, original ( i ), estirado ( ii ). b Raman de películas de PVDF con diferentes fracciones de masa, original ( i ), estirado ( ii ) . c XRD de películas de PVDF con diferentes fracciones de masa, original ( i ), estirado ( ii )

Suponiendo que la absorción de IR sigue la ley de Lambert-Beer [48], la A la absorbancia viene dada por

donde K es el coeficiente de absorción en el número de onda respectivo, L es el grosor de las muestras, C es la concentración de monómero total promedio, X es el grado de cristalinidad de cada fase, y I y yo ₀ son las radiaciones de intensidad transmitida e incidente respectivamente. Desde entonces, la Eq. 2 se puede utilizar para calcular el contenido de fase β en un sistema. Los datos detallados se muestran en el archivo adicional 1:Fig. S2 como información de apoyo.

Los espectros Raman antes y después del estiramiento de las películas de PVDF se muestran en la Fig. 2b, los picos típicos de la fase α de la película de PVDF aparecen a 284 cm ⁻¹ , 410 cm ⁻¹ , 535 cm ⁻¹ , 610 cm ⁻¹ , 795 cm ⁻¹ y 875 cm ⁻¹ y la fase β alcanza su punto máximo a 510 cm ⁻¹ y 839 cm ⁻¹ respectivamente [47, 49]. Los resultados mostraron que la conformación de la cadena de PVDF se transfirió gradualmente de la fase α con Trans-Gauche-Trans-Gauche (TGTG) a la fase β con conformación Trans-Trans (TT) (átomos de hidrógeno y flúor en los lados opuestos de la estructura de PVDF ) después de estirar. Las caracterizaciones XRD de la película de PVDF antes y después del estiramiento se muestran en la Fig. 2c. El PVDF sin tratar exhibe picos cristalinos importantes a 18,4 °, 20,0 ° y 26,5 °, asignados a los planos cristalinos (100), (110) y (021) respectivamente, ya que la conformación de TGTG no polar de la fase α estaba presente en la película de PVDF sin tratar. [49, 50]. En las películas de PVDF estirado, los picos 18,4 ° y 26,5 ° estaban totalmente ausentes y solo está presente un pico a 20,6 °, asignado a los planos cristalinos (110) y (200), lo que indica la formación de una estructura de fase β pura. Las películas de PVDF con estos dipolos podrían ser piro y piezoeléctricamente activas. Su rendimiento de carga y las curvas de voltaje / corriente de salida se beneficiaron al usar sensores de polímeros piro y piezoeléctricos, nanogeneradores, transductores y otras aplicaciones eléctricas.

El efecto piezoeléctrico positivo se refiere a que la polarización interna del material ocurrirá con una deformación bajo la acción de una fuerza externa, y se generará la misma cantidad de carga opuesta en las dos superficies opuestas. Cuando la fuerza externa desaparece, el material dieléctrico en sí mismo regresará a los estados iniciales. El diagrama del mecanismo se muestra en la Fig. 3a. Con el fin de caracterizar los efectos electrostáticos de PVDF, se diseñó y fabricó con éxito un pequeño dispositivo con película de PVDF como la Fig. 3b. Las corrientes piezoeléctricas se monitorearon utilizando el circuito prediseñado, cuando se aplicó una fuerza normal en el dispositivo con ciclos repetidos de presión y liberación. Entonces, la polarización y el desplazamiento de la carga regularían las cargas piezoeléctricas en las superficies del dispositivo, dando como resultado el circuito externo desde el electrodo inferior al electrodo superior y generando una señal de corriente de salida obvia. Las corrientes piezoeléctricas de películas de PVDF estiradas ( λ =1.3) a diferentes frecuencias fueron monitoreados por un motor accionado bajo diferentes voltajes (que fueron suministrados por un proveedor de CC). Los resultados indicaron que la corriente piezoeléctrica de salida aumentó con el aumento de las fracciones de masa de la película de PVDF a la misma frecuencia. La corriente de salida alcanzó el máximo cuando la concentración de PVDF se acercaba al 11% en peso, con un valor máximo de 600 nA.

Efectos piezoeléctricos de películas de PVDF estiradas. un Diagrama esquemático del mecanismo piezoeléctrico bajo la acción de una fuerza externa. b Diagrama esquemático de las estructuras del dispositivo de película fina de PVDF fabricado. c El efecto piezoeléctrico de las películas de PVDF estiradas ( λ =1.3)

Los materiales piroeléctricos pueden exhibir una polarización espontánea, lo que resulta en cargas positivas y negativas en la superficie de la película con los cambios de temperatura. La polarización espontánea de las películas de PVDF se puede cambiar calentando o enfriando a la temperatura de Curie, y se pueden generar cargas electrostáticas en ambos lados de la película. El diagrama esquemático se muestra en la Fig. 4a. Los efectos piroeléctricos de las películas de PVDF con diferentes fracciones de masa se controlaron a diferentes temperaturas (de 60 a 100 ° C) mediante el uso de una placa térmica conectada a un proveedor de CC como se muestra en la Fig. 4b. Se pudo observar que la salida de corrientes piroeléctricas aumentó con el aumento de temperatura y alcanzó un valor máximo de 15 pA a 100 ° C. De manera similar a los efectos piezoeléctricos, las corrientes piroeléctricas aumentaron con el aumento de las fracciones de masa de las películas de PVDF a la misma temperatura. La corriente de salida alcanzó el máximo cuando la concentración de PVDF se acercó al 11% en peso, lo que fue consistente con la de los efectos piezoeléctricos, lo que indica que la concentración del 11% en peso de las películas de PVDF era la concentración más adecuada. Todos estos resultados demostraron que la película fina de PVDF procesa excelentes efectos piro y piezoeléctricos.

Efectos piroeléctricos de películas de PVDF. un Diagrama esquemático del mecanismo de trabajo piroeléctrico bajo estimulación de temperatura; b Diagrama esquemático del dispositivo de película fina de PVDF fabricado; c Medición del efecto piroeléctrico en películas de PVDF

Debido al efecto electrostático distintivo, el PVDF podría actuar como material de filtrado de aire potencial por adsorción de partículas atmosféricas. Para explorar las aplicaciones de filtrado de aire del PVDF, fabricamos una malla de nanofibras estructurada en sándwich mediante hilado eléctrico. Como se muestra en la Fig. 5a, la solución de PVDF con diferente fracción de masa estaba en el tubo de aguja, y la solución de PVDF se convirtió en fibras de PVDF mediante hilado electrostático. Se adoptó una tela no tejida con menor densidad como sustrato para recibir las fibras de PVDF. Para las fibras fabricadas uniformemente, el diámetro promedio es de aproximadamente 250 nm. Posteriormente, hicimos mallas de nanofibras que eran la estructura sándwich de tela no tejida y nanofibras de PVDF. Mediante el cambio de la fracción de masa de las soluciones de PVDF, obtuvimos las correspondientes mallas de nanofibras con diferente densidad. En la Fig. 5b se muestra la morfología de las mallas de nanofibras bajo diferentes soluciones de PVDF de fracción de masa. Se pudo observar que las densidades de las fibras fabricadas aumentan con el aumento de la fracción de masa de las soluciones.

Fabricaciones y propiedades de mallas de nanofibras de PVDF. un Diagrama esquemático del proceso de preparación del hilado electrostático. b Imágenes SEM de nanofibras de PVDF en diferentes fracciones de masa:6% en peso ( i ); 8% en peso ( ii ); 10% en peso ( iii ); 11% en peso ( iv ); 12% en peso ( v ); y 13% en peso ( vi ). c Efecto piezoeléctrico de la malla de nanofibras de PVDF con diferentes fracciones de masa. d Efecto piroeléctrico de la malla de nanofibras de PVDF con diferentes fracciones de masa

Además, caracterizamos los efectos electrostáticos de la malla de nanofibras de PVDF estructurada en sándwich fabricada. Aquí se controló el voltaje de circuito abierto ya que las resistencias eléctricas tanto de los tejidos no tejidos como de las mallas de nanofibras eran relativamente altas. Por ensayo y error, los efectos piro y piezoeléctricos de las mallas de nanofibras fabricadas se muestran en la Fig. 5c y d. Los resultados demostraron que la nanofibra de PVDF con una concentración del 11% en peso produjo el voltaje de circuito abierto más alto, acercándose a 0.04 V a 362 Hz, como se muestra en la Fig. 5c. Los efectos piezoeléctricos de las mallas de nanofibras se muestran en la Fig. 5d, la concertación del 11% en peso también exhibió el voltaje de circuito abierto más alto, alcanzando 0.01 V a 100 ° C. Los efectos piro y piezoeléctricos similares de las mallas de nanofibras de PVDF con la película delgada pueden deberse a cierto grado de tensión generado por la presión en la fibra para formar la fase β durante el proceso de hilado electrostático. Las excelentes propiedades piro y piezoeléctricas de las mallas de nanofibras fabricadas tienen una aplicación potencial en filtros electrostáticos, dispositivos electrónicos portátiles o biosensores.

Conclusiones

En este estudio, las películas y mallas de PVDF piro y piezoeléctrico se fabricaron con éxito mediante estiramiento mecánico e hilado eléctrico. Los resultados mostraron que las películas de PVDF estiradas exhiben un proceso de transición de fase obvio y, por lo tanto, inducen excelentes efectos piroeléctricos y piezoeléctricos. Además, las mallas de nanofibras recibidas en un sustrato no tejido de PP también se fabricaron con éxito mediante un método de hilado eléctrico simple, que exhibe efectos piroeléctricos y piezoeléctricos relativamente más altos al monitorear los voltajes de circuito abierto. Estas propiedades podrían permitir su uso como filtros electrostáticos, dispositivos electrónicos portátiles o biosensores.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

PLM:

Microscopía de luz polarizada

XRD:

Difracción de rayos X

FTIR:

Espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier

Raman:

Espectrómetro Raman

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

PVDF:

Fluoruro de polivinilideno

DMF:

N, N-dimetilformamida

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