Structural characterization of polymeric nanofibers of polyvinylidene fluoride (PVDF)

Polyvinylidene fluoride (PVDF) is a polymer material that exhibits piezoelectricity, which is the ability of certain materials to generate an electric charge in response to applied mechanical stress. Electrospun nanofibers were prepared from a solution with 1800 mg PVDF (18 wt.%) powder dissolved in 7.5 ml of dimethylformamide (DMF) and 2.5 ml acetone. The experimental setup used in the electrostatic deposition process was developed in our laboratory. Atomic Force Microscopy (AFM) showed that the fibers vary from 100 nm to 200 nm. Scanning Electron Microscopy (SEM) measurements showed distributed and well-formed nanofibers, but with few incidences of beads. The Energy Dispersive Spectroscopy (EDX) results showed that all points of the formed nanofibers have very similar chemical compositions, based on carbon and fluorine. Raman and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopic analysis revealed the characteristic bands related to β-phase in the sample, which is responsible for the piezoelectricity of PVDF.

Keywords:
beta phase; electrospinning; nanofibers; piezoelectricity

Authorship

José Augusto Souza Gomes da Silva

conceptualization

data curation

formal analysis

investigation

methodology

project administration

validation

visualization

writing original draft

writing review and editing

Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, São Paulo, BrasilInstituto Federal de Educação, Ciência e TecnologiaBrasilSão Paulo, BrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, São Paulo, Brasil

https://orcid.org/0000-0003-3644-1337

Walace Rodrigues da Silva Júnior

investigation

writing original draft

writing review and editing

Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, São Paulo, BrasilUniversidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”BrasilSão Paulo, BrasilPrograma de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, São Paulo, Brasil

https://orcid.org/0000-0002-2386-2629

Ana Neilde Rodrigues da Silva

conceptualization

data curation

formal analysis

investigation

methodology

project administration

resources

supervision

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Departamento de Sistemas Eletrônicos, Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo, São Paulo, BrasilFaculdade de Tecnologia do Estado de São PauloBrasilSão Paulo, BrasilDepartamento de Sistemas Eletrônicos, Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo, São Paulo, Brasil

https://orcid.org/0000-0001-6639-6237

Roseli Künzel

investigation

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Departamento de Física, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, BrasilUniversidade Federal de São PauloBrasilSão Paulo, BrasilDepartamento de Física, Universidade Federal de São Paulo, São Paulo, Brasil

https://orcid.org/0000-0003-0020-8189

José Roberto Ribeiro Bortoleto

investigation

writing review and editing

https://orcid.org/0000-0003-4129-7819

Emanuel Benedito de Melo

investigation

Departamento de Física, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, Itapetininga, BrasilInstituto Federal de Educação, Ciência e TecnologiaBrasilItapetininga, BrasilDepartamento de Física, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia, Itapetininga, Brasil

https://orcid.org/0000-0002-2260-8899

Carina Ulsen

investigation

resources

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Laboratório de Caracterização Tecnológica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, BrasilUniversidade de São PaulBrasilSão Paulo, BrasilLaboratório de Caracterização Tecnológica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil

https://orcid.org/0000-0002-4200-6326

Neilo Marcos Trindade ^* * neilotrindade@usp.br

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methodology

project administration

resources

supervision

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writing review and editing

Instituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo, BrasilUniversidade de São PauloBrasilSão Paulo, BrasilInstituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil

https://orcid.org/0000-0003-0202-907X

* neilotrindade@usp.br

5. Author’s Contribution

• Conceptualization – José Augusto Souza Gomes da Silva; Ana Neilde Rodrigues da Silva; Neilo Marcos Trindade.

• Data curation – José Augusto Souza Gomes da Silva; Ana Neilde Rodrigues da Silva.

• Formal analysis – José Augusto Souza Gomes da Silva; Ana Neilde Rodrigues da Silva.

• Funding acquisition – Carina Ulsen; Neilo Marcos Trindade.

• Investigation – José Augusto Souza Gomes da Silva; Walace Rodrigues da Silva Júnior; Ana Neilde Rodrigues da Silva; Carina Ulsen; Roseli Künzel; José Roberto Ribeiro Bortoleto; Emanuel Benedito de Melo.

• Methodology – José Augusto Souza Gomes da Silva; Ana Neilde Rodrigues da Silva; Neilo Marcos Trindade.

• Project administration – José Augusto Souza Gomes da Silva; Ana Neilde Rodrigues da Silva; Neilo Marcos Trindade.

• Resources – Ana Neilde Rodrigues da Silva; Carina Ulsen; Neilo Marcos Trindade.

• Software – NA.

• Supervision – Ana Neilde Rodrigues da Silva; Neilo Marcos Trindade.

• Validation – José Augusto Souza Gomes da Silva.

• Visualization – José Augusto Souza Gomes da Silva.

• Writing – original draft – José Augusto Souza Gomes da Silva; Walace Rodrigues da Silva Júnior; Neilo Marcos Trindade.

• Writing – review & editing – José Augusto Souza Gomes da Silva; Walace Rodrigues da Silva Júnior; Ana Neilde Rodrigues da Silva; Carina Ulsen; Roseli Künzel; José Roberto Ribeiro Bortoleto; Neilo Marcos Trindade.

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Figures

Figures (6)

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Figure 1
(a) Homemade electrospinning system; (b) monocrystalline silicon wafer cleaved with deposited fibrous material.

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Figure 2
(a) AFM image of 5×5µm containing typical nanofibers; (b) 1D AFM profile at the position of the dashed line. It is possible to notice that when the radius of the nanofibers exceeds 150 nm, can occur self-deformation; (c) 1D AFM profile of nanofiber on position 2. Nanofibers with radius up to 150 nm maintain the tubular shape; (d) 3D representation of the AFM image is shown in Figure 2a.

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Figure 3
SEM images of PVDF sample (a) deposited on the substrate; (b) surface of a bead; (c) interior of a bead.

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Figure 4
Selected points in PVDF sample and EDX spectrum of the six selected points.

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Figure 5
Raman spectrum obtained of the PVDF sample. The inset shows the spectrum measured of a silicon standard.

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Figure 6
FTIR spectrum obtained from PVDF sample.

Figure 1 (a) Homemade electrospinning system; (b) monocrystalline silicon wafer cleaved with deposited fibrous material.

Figure 2 (a) AFM image of 5×5µm containing typical nanofibers; (b) 1D AFM profile at the position of the dashed line. It is possible to notice that when the radius of the nanofibers exceeds 150 nm, can occur self-deformation; (c) 1D AFM profile of nanofiber on position 2. Nanofibers with radius up to 150 nm maintain the tubular shape; (d) 3D representation of the AFM image is shown in Figure 2a.

Figure 3 SEM images of PVDF sample (a) deposited on the substrate; (b) surface of a bead; (c) interior of a bead.

Figure 4 Selected points in PVDF sample and EDX spectrum of the six selected points.

Figure 5 Raman spectrum obtained of the PVDF sample. The inset shows the spectrum measured of a silicon standard.

Figure 6 FTIR spectrum obtained from PVDF sample.

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[1] * neilotrindade@usp.br