CN104790064A - 一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法，纤维由导电金属丝芯层和压电聚合物皮层所组成，其制备步骤包括，首先将聚合物溶解在单一或复配溶剂中，然后通过静电纺丝将溶液喷在金属丝表面，使其包覆一层聚合物纳米纤维皮层，最后将所得纤维在室温静置待溶剂挥发，即得。本发明通过静电纺丝，将压电聚合物纺在金属丝上，使压电聚合物直接包覆在金属丝上，金属丝在封装过程中直接充当一个电极，提高了纳米发电机的精细化和发电效率，在传感器、医疗、能量转换方面都有很高的发展前景。
Description
技术领域
本发明属于压电材料及其制备领域，特别涉及一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法。
背景技术
目前常见的压电材料主要分为压电陶瓷、压电半导体和压电聚合物三大类，前两类压电材料属无机材料，具有压电效率高，性能稳定的特点，但其缺点也十分明显，可塑性差，生物相容性差，一些还带有重金属等有毒物质，因而不能被广泛地应用在各个领域。而压电聚合物就弥补了无机压电材料的一些不足，它具有很好的生物相容性，且易于加工，质轻，是一种新型的压电材料。
在加工压电聚合物方面，目前一种常用的方法是通过静电纺丝法，将压电聚合物纺成由一定直径的纳米纤维构成的无纺布毡，由于在纺丝过程中已经进行了极化，所以就免去了后极化过程，再将此无纺布进行封装，加入两个电极，即可得到具有压电性能的纳米发电机，这种方法的优点在于设备简单，制备工序简单，无须后极化过程等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法，本发明通过静电纺丝，将压电聚合物纺在金属丝上，使压电聚合物直接包覆在金属丝上，金属丝在封装过程中直接充当一个电极，提高了纳米发电机的精细化和发电效率。
本发明的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维，所述纤维由导电金属丝芯层和压电聚合物皮层组成，其中芯层截面为圆形，金属丝直径为0.05-1mm；皮层截面为圆环形，厚度为0.01mm～1mm之间。
所述导电金属丝为铜、铁、镍、锌、金、银、铅、锡、铝及其合金中的一种。
本发明的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，包括：
将聚合物溶解在溶剂中，得到质量分数为1％～20％静电纺丝溶液，然后进行静电纺丝，使得聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，挥发，即得压电聚合物/金属复合纳米单纤维。
所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯及其共聚物中的一种或几种。
所述溶剂为二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、丙酮中的一种或几种。
所述静电纺丝溶液中含有压电增强材料，压电增强材料的质量百分浓度为0.00～2.0％。
所述压电增强材料为钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌、石英、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨、松香、氯化钴、氯化亚铁、氯化铜、氯化锡、氯化锰、氯化铁中的一种或几种。
所述静电纺丝的工艺参数为：电压：5～30kV；接收距离：1～30cm；挤出速度：0.01～5ml/h。
所述聚合物纳米纤维的直径为50～400nm。
在0～80℃的通风环境下，放置24～72h，使残留在聚合物中的溶剂完全挥发。
皮层截面为圆环形，厚度为0.01mm～1mm之间，皮层由聚合物纳米纤维交织而成，因条件不同，其皮层微观形态不同，纳米纤维的直径(50～400nm)，取向及蓬松程度都有所不同。皮层聚合物具有一定的压电性，压电性能有其本身的性质以及掺杂其他无机物或有机物所决定。
压电增强材料的掺入量为0.00～0.5％，物质的掺入或能提高聚合物的压电性能，或者这些物质本身具有一定的压电性能，此外还有些掺入物能增加聚合物纳米纤维的整体压电性能。
有益效果
本发明通过静电纺丝，将压电聚合物纺在金属丝上，使压电聚合物直接包覆在金属丝上，金属丝在封装过程中直接充当一个电极，提高了纳米发电机的精细化和发电效率，在传感器、医疗、能量转换方面都有很高的发展前景。
附图说明
图1为压电聚合物/金属复合纳米单纤维的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取六水氯化铁100μmol，将其溶解在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，使其完全溶解；然后称取2g聚偏氟乙烯溶解于上述溶液中，并在75℃下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为：电压：8kV；接收距离：25cm；挤出速度：1.0ml/h。最后将所得复合纤维放置在25℃通风环境下48小时制备完成。
所得复合电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维具有良好的贴合性，贴合比较紧密，厚度均匀，颜色略带黄色，具有良好的压电性能，压电电压为0.12V/cm。
实施例2
称取二水氯化铜58.3μmol，将其溶解在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，使其完全溶解；然后称取2g聚偏氟乙烯溶解于上述溶液中，并在75℃下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为：电压：15kV；接收距离：15cm；挤出速度：1.5ml/h。最后将所得复合纤维放置在25℃通风环境下48小时制备完成。
所得复合压电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维具有良好的贴合性，贴合比较紧密，厚度均匀，颜色略带蓝绿色，具有良好的压电性能,压电电压为0.09V/cm。
实施例3
称取聚偏氟乙烯1.6g，将其溶解在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，在75℃下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为：电压：20kV；接收距离：20cm；挤出速度：0.5ml/h。最后将所得复合纤维放置在25℃通风环境下48小时制备完成。
所得复合压电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维贴合性较差，皮层纤维较细，且结构蓬松，厚度均匀，压电电压为0.04V/cm。
实施例4
称取单壁碳纳米管0.02g，将其分散在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，使其分散均匀；然后称取2g聚偏氟乙烯溶解于上述溶液中，并在75℃下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为：电压：8kV；接收距离：4cm；挤出速度：0.2ml/h。最后将所得复合纤维放置在25℃通风环境下72小时制备完成。
所得复合压电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维具有良好的贴合性，贴合比较紧密，厚度均匀，颜色为白色，纳米纤维略有变粗，具有良好的压电性能,压电电压为0.15V/cm。
Claims (10)
1.一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维，其特征在于：所述纤维由导电金属丝芯层和压电聚合物皮层组成，其中芯层截面为圆形，金属丝直径为0.05-1mm；皮层截面为圆环形，厚度为0.01mm～1mm之间。
2.根据权利要求1所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维，其特征在于：所述导电金属丝为铜、铁、镍、锌、金、银、铅、锡、铝及其合金中的一种。
3.一种如权利要求1所述的压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，包括：将聚合物溶解在溶剂中，得到质量分数为1％～20％静电纺丝溶液，然后进行静电纺丝，使得聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，挥发，即得压电聚合物/金属复合纳米单纤维。
4.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯及其共聚物中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述溶剂为二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、丙酮中的一种或几种。
6.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝溶液中含有压电增强材料，压电增强材料的质量百分浓度为0.00～2.0％。
7.根据权利要求6所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述压电增强材料为钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌、石英、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨、松香、氯化钴、氯化亚铁、氯化铜、氯化锡、氯化锰、氯化铁中的一种或几种。
8.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝的工艺参数为：电压：5～30kV；接收距离：1～30cm；挤出速度：0.01～5ml/h。
9.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述聚合物纳米纤维的直径为50～400nm。
10.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于：所述挥发为：在0～80℃的通风环境下，放置24～72h。
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