DOI:10.1021/acsami.0c02578

压电聚合物是用于可穿戴和可植入应用的有前途的能源材料，可用于替代小型柔性电子器件中的笨重电池。因此，许多研究都集中在分子水平上理解聚合物的行为，并利用聚偏二氟乙烯（PVDF）设计新的聚合物基发生器。本文研究了电压极性和环境相对湿度对聚偏氟乙烯静电纺丝的影响。采用显微和光谱相结合的多技术手段，研究了聚偏氟乙烯纤维的β相含量和压电性能。研究者对电纺聚偏氟乙烯（PVDF）中β相结晶现象有了新的认识，并在相对湿度为60%时，证明了负电压极性PVDF纤维基发生器的压电响应增强。首先，研究者证明了结晶度和表面化学对提高PVDF纤维的压电性能至关重要。控制相对湿度和电压极性可使PVDF纤维的d33压电系数提高3倍以上，使PVDF膜的功率密度达到0.6μW·cm-2。研究表明，静电纺丝技术可以作为一种单步制备具有不同物理化学性质的PVDF纤维的方法，其β相结晶度可达74%。湿度和电压极性是影响PVDF纤维压电性的关键因素，这为开发用于能量收集和传感材料开辟了一条新的途径。

图1.示意图显示了静电纺丝法的原理，用于研究湿度和电压极性对聚偏氟乙烯纤维表面化学的影响。

图2.扫描电镜照片和相应的直方图，包括显示所有PVDF样品纤维直径累积百分比的曲线：（a）PVDF30+，（b）PVDF30-，（c）PVDF60+，（d）PVDF60-。扫描电镜图像显示了具有标准偏差值的纤维平均直径（Df）。与（f）PVDF30+和（h）PVDF60+的TEM图像相比，纤维（e）PVDF30+和（g）PVDF60+的冷冻断裂横截面的所有样品的代表性图像。

图3.电纺PVDF纤维的表征：（a）PVDF30+和PVDF60+样品的FTIR光谱，数据垂直移动以便更好的比较，（b）记录的广角X射线散射。标记属于α相（100、020、110和021）和β相（200/110）的扩散峰，并进行了DSC热扫描。

图4.单个PVDF纤维的PFM扫描显示（a）AFM形貌和LPFM图像，（b）在60%湿度（±）和30%湿度（±）下生产的样品的PFM振幅汇总。

图5.用PFM测量PVDF单个纤维的压电d33系数曲线。

图6.（a）来自随机取向的PVDF垫的压电响应测量装置和（b）发生器的示意图。

图7.由电纺PVDF纤维制备的发电机在H=30%（PVDF30）和H=60%（PVDF60）时的压电性能：（a）不同PVDF发电机的功率输出。（b）测试的所有PVDF样品在1k到100 MΩ负载电阻范围内的均方根电压和电流。