改良式近場靜電紡PVDF/MWCNT壓電奈米纖維應用於微致動器

潘正堂

《微系統暨奈米科技協會會刊》 27期 (2012/06) Pp. 26-37

https://doi.org/10.30051/WXTJNMKJXHHK.201206.0005

摘要

本文將介紹筆者近年來在微型致動器系統之研究，利用近場靜電紡織技術（Near-field Electrospinning, NFES）製作聚偏氟乙稀（Polyvinylidene fluoride, PVDF）壓電奈米纖維，並添加多壁奈米碳管（Multi wall carbon nanotube, MWCNT）組成PVDF/MWCNT複合纖維，並提出新式滾筒收集方式來提升纖維收集效率與壓電強度。近場靜電紡織技術搭配壓電材料可用來製作具有良好壓電性質的壓電奈米纖維，相較於壓電薄膜，壓電奈米纖維具有更高的壓電係數與機－電能轉換效率，更加適合用在製作微型的傳感器上。近場電紡的製程中，高壓靜電場將可以對PVDF纖維產生極化，X-Y軸數位控制平台則可以藉由軟體的設定收集到可控圓形的纖維且對織維產生拉伸應變的作用，使之具有壓電壓電特性之β相。藉由調整電紡溶液不同重量百分濃度之PVDF粉末、表面活性劑，以及製程參數將可以控制PVDF壓電奈米纖維之壓電強度與纖維線徑，而添加多壁奈米碳管於PVDF溶液中將可以增加壓電奈米織維之壓電性質。藉由新式滾筒收集裝置來改善近場電紡搭配X-Y軸數位控制平台收集纖維長度的限制，滾筒的收集方式可以收集到均勻且連續的PVDF壓電奈米纖維。電紡後使用X光繞射分析儀（X- ray diffraction , XRD）來檢測PVDF壓電奈米纖維的壓電結晶相β相之結晶程度，並使用掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）來觀察纖維表面型態。最後並利用壓電材料的逆壓電效應，結合優化之PVDF／MWCNT壓電纖維搭配聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate, PMMA）基板製作－結構，對其提供電壓後觀察纖維之致動性，利用光學顯微鏡量測織維的撓曲變形量，並使用有限元素分析套裝軟體ANSYS來分析PVDF的壓電驅動行為。目標將應用於微致動器系統上。

關鍵字

近場靜電紡絲 ； PVDF壓電纖維 ； 多壁奈米碳管 ； 逆壓電效應 ； 微型致動器