CN104695129A - 一种聚偏氟乙烯取向排列压电纤维膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种取向排列聚偏氟乙烯压电纤维膜及其制备方法，采用静电纺丝的方法制备聚偏氟乙烯纤维膜，并采用高速旋转的圆盘接收得到取向排列的压电纤维膜。制备得到的聚偏氟乙烯纤维膜具有较高的β晶型含量和较优异的压电性能。该制备方法操作方便、制备得到的样品性能较优异，有利于聚偏氟乙烯的应用领域扩宽。
Description
技术领域
本发明属于微纳米功能材料技术领域，特别涉及一种取向排列聚偏氟乙烯压电纤维膜的制备方法。
背景技术
压电材料能实现机械能与电能之间的转化，有利于能源的节约。当外界给压电聚合物施加机械力时，聚合物表面会产生电荷，这些电荷通过电极导出可以供外界用电器件使用，从而实现机械能与电能的转化。压电材料中压电效应很明显的压电陶瓷在传感器、换能器等领域得到了较为广泛的应用。然而，压电陶瓷由于其脆性大、不透气、柔韧性不好等缺陷限制了压电陶瓷的应用领域。
相对于脆性较大的压电陶瓷，具有较明显压电效应的聚合物——聚偏氟乙烯（PVDF）就突显出它的优点——较好的柔韧性、耐冲击性、耐摩擦性。PVDF的这些性能将有助于压电材料的应用领域大大扩宽。
聚偏氟乙烯（PVDF）的分子式是—[—CH2—CF2—]n—，是一种半晶型聚合物。从分子式来看，PVDF是线形大分子，具有柔性链，所以聚偏氟乙烯纤维会体现出较好的柔韧性、耐磨性和耐冲击强度。从结晶结构来看，目前聚偏氟乙烯被发现具有5种晶型：α、β、γ、δ和ε。其中α晶型的稳定性最高，而β晶型是PVDF具有压电性的重要因素。PVDF五种晶型中最常见的是α晶型。而由于各种晶型之间的势能差较小，可以通过控制制备工艺条件来实现各晶型之间的相互转化。现有以聚偏氟乙烯为原料的压电产品主要是采用流延法制备的压电薄膜，通过薄膜的拉伸和极化的方法实现高β晶型含量和β晶型的取向排列。但是上述制备方法条件较为苛刻，步骤较为复杂，对设备要求较高。
静电纺丝方法目前被认为是制备超细纤维或是纳米纤维较为简便的一种方法。通过调整静电纺丝的工艺参数（如：溶液浓度、溶剂比例、溶液导电性、电压、流速、接收距离等）可以较方便地改变或是控制纤维的形态结构或是聚集态结构。在静电纺丝过程中，聚合物射流在高压静电场中被电场力拉伸变细同时溶剂挥发固化，最终形成纤维沉积在接收板上。在纤维成型过程中电场力的拉伸有助于PVDF纤维的α晶型向着β晶型转化，这为制备得到较高β晶型含量的纤维提供了较好的条件。目前已有不少研究说明，静电纺丝一种制备较高β晶型含量的PVDF亚微米或纳米纤维的简便方法。但是静电纺丝一般接收装置接收到纤维膜是无纺布形式，纤维是混乱排列的。这种无纺布形式的结构会使部分本来已取向的偶极之间的极性相互抵消，不利于PVDF纤维膜压电性的提高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点不足，本发明的首要目的是提供一种制备过程较为简单、制备条件和设备要求较低，实现较高β晶型含量与晶型偶极取向排列同步进行的聚偏氟乙烯压电纤维膜的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种取向排列聚偏氟乙烯压电纤维膜，所述取向排列聚偏氟乙烯压电纤维膜是若干具有较高β晶型含量的聚偏氟乙烯纳米或亚微米纤维在同一个方向上采取一定取向度排列而形成的纤维膜。
一种取向排列聚偏氟乙烯压电纤维膜的制备方法，包括聚偏氟乙烯溶液的配置及静电纺丝制备取向排列的聚偏氟乙烯纳米或亚微米纤维，所述制备方法是指将聚偏氟乙烯溶液采用静电纺丝的方法进行纺丝，并对静电纺聚偏氟乙烯纤维的工艺参数进行了优化，制备了结构较为稳定、直径较均匀、压电性能较好的聚偏氟乙烯纤维膜，且采用旋转线速度为0m/min-1200 m/min的高速旋转圆盘作为接收装置（如图1所示）接收到纤维取向排列的聚偏氟乙烯压电纤维膜。
操作步骤如下：
a 聚偏氟乙烯溶液的配制
将聚偏氟乙烯溶入混合溶剂中，水浴或油浴加热至40-50℃恒温磁力搅拌溶解，得到溶液浓度为5wt%-25wt%的均匀透明溶液。溶剂为甲酸、三氟乙酸、二氯甲烷、三氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、乙醇、丙酮、甲醇中的一种或两种以上的混合物。
b 聚偏氟乙烯取向排列纤维膜的制备
用注射器抽取步骤a所制备得到的聚偏氟乙烯溶液，并将内径为0.45mm-0.9mm的金属针头接在注射器的管口处，在金属针头上接入6kV-25kV的高压电源，以接有-5kV-0kV负高压电源的表面贴有铝箔纸的旋转圆盘作为纤维膜的接收装置，以0.4mL/h-3mL/h的推进速度将纺丝液连续不断地推到针头处，金属针头与圆盘上表面切线之间的距离为10cm-30cm，旋转圆盘的旋转线速度为0m/min-1200 m/min，纤维膜沉积在旋转圆盘的表面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、丰富了聚偏氟乙烯作为压电材料的存在形式，扩宽了聚偏氟乙烯应用领域。
2、提供了一种较为简便、操作简单的制备较高β晶型含量与晶型偶极取向排列同步进行的聚偏氟乙烯纤维膜的方法。
3、本发明中所制备的聚偏氟乙烯纤维膜具有取向排列，这样会使得纤维内部晶型的偶极取向排列后在纤维与纤维之间彼此也是取向排列的，对于整个纤维膜来说，这样的取向排列会有助于聚偏氟乙烯纤维膜压电性的提升。
附图说明
图1 是本发明采用旋转接收装置示意图。
图2 是本发明中测试样品压电性的简单装置示意图。
图3 是本发明中测试样品压电性测试器件示意图。
具体实施例
下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。但本发明的实施方式不受以下实施例的限制，在本发明内容内进行修改、简化和替代仍属于本发明的保护范围。
实施例1
先称取一定量的聚偏氟乙烯于干净的磨口烧瓶中，加入体积比为7:3的N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂，使得整个溶液中聚偏氟乙烯的质量分数为10wt%，并加入搅拌子，然后将磨口烧瓶的瓶口密封好。将磨口烧瓶放到40℃的恒温油浴锅中以600rpm的磁力搅拌速度搅拌溶解2h，直到溶液透明均匀、具有一定黏度。停止搅拌，将磨口烧瓶取出冷却至室温，以备静电纺丝用。
用注射器抽取上述制备得到聚偏氟乙烯溶液5mL，给注射器装上内径为0.9 mm的金属针头，调整金属针头到接收圆盘距离为20cm，注射器推进速度为1mL/h，纺丝电压为10kV，接有-1kV负电压的圆盘旋转线速度为0m/min，纺丝温度为室温，纺丝2h，获得直径为0.95-1.98um、混乱排列的聚偏氟乙烯纤维膜。
将所述纤维膜制作成为如图3所示的器件，通过如图2所示的测试装置对所述聚偏氟乙烯纤维的压电性进行测试，其测试结果为2.91mV。
实施例2
先称取一定量的聚偏氟乙烯于干净的磨口烧瓶中，加入体积比为7:3的N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂，使得整个溶液中聚偏氟乙烯的质量分数为10wt%，并加入搅拌子，然后将磨口烧瓶的瓶口密封好。将磨口烧瓶放到40℃的恒温油浴锅中以600rpm的磁力搅拌速度搅拌溶解2h，直到溶液变为透明均匀、有一定黏度的溶液取出冷却至室温，以备静电纺丝用。
用注射器抽取上述制备得到聚偏氟乙烯溶液5mL，给注射器装上内径为0.9 mm的金属针头，调整金属针头到接收圆盘距离为20cm，注射器推进速度为1mL/h，纺丝电压为10kV，接有-1kV负电压的圆盘旋转线速度为500m/min，纺丝温度为室温，纺丝2h，获得直径为0.40-1.69um、排列取向度为45%的聚偏氟乙烯纤维膜。其中，排列取向度是指纤维轴向与圆盘旋转方向夹角小于或等于10°的纤维数量占纤维总数的百分比。
将所述纤维膜制作成为如图3所示的器件，通过如图2所示的测试装置对所述聚偏氟乙烯纤维的压电性进行测试，其测试结果为3.96mV。
实施例3
先称取一定量的聚偏氟乙烯于干净的磨口烧瓶中，加入体积比为7:3的N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂，使得整个溶液中聚偏氟乙烯的质量分数为10wt%，并加入搅拌子，然后将磨口烧瓶的瓶口密封好。将磨口烧瓶放到40℃的恒温油浴锅中以600rpm的磁力搅拌速度搅拌溶解2h，直到溶液变为透明均匀、有一定黏度的溶液取出冷却至室温，以备静电纺丝用。
用注射器抽取上述制备得到聚偏氟乙烯溶液5mL，给注射器装上内径为0.9 mm的金属针头，调整金属针头到接收圆盘距离为20cm，注射器推进速度为1mL/h，纺丝电压为10kV，接有-1kV负电压的圆盘旋转线速度为1000m/min，纺丝温度为室温，纺丝2h，获得直径为0.30-1.80、排列取向度为75%的聚偏氟乙烯纤维膜。
将所述纤维膜制作成为如图3所示的器件，通过如图2所示的测试装置对所述聚偏氟乙烯纤维的压电性进行测试，其测试结果为10.33mV。
实施例4
先称取一定量的聚偏氟乙烯于干净的磨口烧瓶中，加入体积比为7:3的N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂，使得整个溶液中聚偏氟乙烯的质量分数为13wt%，并加入搅拌子，然后将磨口烧瓶的瓶口密封好。将磨口烧瓶放到40℃的恒温油浴锅中以600rpm的磁力搅拌速度搅拌溶解2h，直到溶液变为透明均匀、有一定黏度的溶液取出冷却至室温，以备静电纺丝用。
用注射器抽取上述制备得到聚偏氟乙烯溶液5mL，给注射器装上内径为0.9 mm的金属针头，调整金属针头到接收圆盘距离为20cm，注射器推进速度为1mL/h，纺丝电压为10kV，接有-1kV负电压的圆盘旋转线速度为500m/min，纺丝温度为室温，纺丝2h，获得直径为0.89-2.36um、排列取向度为48%的聚偏氟乙烯纤维膜。
将所述纤维膜制作成为如图3所示的器件，通过如图2所示的测试装置对所述聚偏氟乙烯纤维的压电性进行测试，其测试结果为4.10mV。
实施例5
先称取一定量的聚偏氟乙烯于干净的磨口烧瓶中，加入体积比为7:3的N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂，使得整个溶液中聚偏氟乙烯的质量分数为10wt%，并加入搅拌子，然后将磨口烧瓶的瓶口密封好。将磨口烧瓶放到40℃的恒温油浴锅中以600rpm的磁力搅拌速度搅拌溶解2h，直到溶液变为透明均匀、有一定黏度的溶液取出冷却至室温，以备静电纺丝用。
用注射器抽取上述制备得到聚偏氟乙烯溶液5mL，给注射器装上内径为0.9 mm的金属针头，调整金属针头到接收圆盘距离为20cm，注射器推进速度为1mL/h，纺丝电压为15kV，接有-1kV负电压的圆盘旋转线速度为500m/min，纺丝温度为室温，纺丝2h，获得直径为0.46-1.99um、排列取向度为55%的聚偏氟乙烯纤维膜。
将所述纤维膜制作成为如图3所示的器件，通过如图2所示的测试装置对所述聚偏氟乙烯纤维的压电性进行测试，其测试结果为4.34mV。
Claims (5)
1.一种聚偏氟乙烯取向排列压电纤维膜，其特征在于，若干具有较高β晶型含量的聚偏氟乙烯纳米或亚微米纤维在同一个方向上采取一定取向度排列而形成的纤维膜。
2.一种取向排列聚偏氟乙烯压电纤维膜的制备方法，包括聚偏氟乙烯溶液的配制及静电纺丝制备取向排列的聚偏氟乙烯纳米或亚微米纤维，所述制备方法是指将聚偏氟乙烯溶液采用静电纺丝的方法进行纺丝，采用高速旋转圆盘作为接收装置（如图1所示）接收到取向排列的聚偏氟乙烯压电纤维膜。
3.根据权利要求2所述取向排列聚偏氟乙烯纤维膜的制备方法，其特征在于聚偏氟乙烯溶液中聚偏氟乙烯的质量分数为5wt%-30wt%，所用溶剂为甲酸、三氟乙酸、二氯甲烷、三氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、乙醇、丙酮、甲醇中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求2所述取向排列聚偏氟乙烯纤维膜的制备方法，其特征在于静电纺丝工艺参数为金属针头的内径0.45mm-0.9mm；纺丝电压为6kV-25kV；接收距离为 10cm-30cm；纺丝液推进速度为0.4mL/h-3mL/h。
5.根据权利要求2所述取向排列聚偏氟乙烯纤维膜的制备方法，其特征在于聚偏氟乙烯纤维膜采用旋转线速度为0m/min-1200 m/min的旋转圆盘接收。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150610 |