CN106751250B - 一种高分子压电复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高分子压电复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分子压电复合材料及其制备方法和应用。所述的高分子压电复合材料的制备方法包括以下步骤：将聚偏氟乙烯、N,N‑二甲基甲酰胺和丙酮按照质量比(1‑3):(4‑6):(4‑6)混合，在室温下搅拌24‑72h至聚偏氟乙烯完全溶解，得到聚偏氟乙烯溶液；随后向聚偏氟乙烯溶液中加入质量为聚偏氟乙烯2‑80wt％的压电功能体，在室温下搅拌48‑72h，即得到压电功能体均匀分散的聚偏氟乙烯混合液，造粒即可。该材料可达到纳米级，能够产生电势，压电性能十分优异，用于制备人工韧带能够达到感知关节形变，产生生物电，电流通过韧带残端的神经末梢上传至中枢的效果，且无毒、无害、生物相容性强。

Description

一种高分子压电复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体地说，涉及一种高分子压电复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
材料从使用性能上可以分为结构材料和功能材料两大类，其中结构材料以其强度、韧性、硬度、弹性等力学特性为应用依据，功能材料以其电、磁、光、声、热等物理性能为基础，用以制作有特殊功能的器件。压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，目前广泛应用于工业部门和高科技领域。
压电材料分为压电陶瓷、压电晶体和压电复合材料。压电复合材料是指由至少一种压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的一种具有压电效应的新材料。按照各相材料的连通方式，压电复合材料一般可分为十种基本类型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3型。其在介电材料、传感及控制、水声材料、热释电材料等方面都有广泛的研究和应用。
目前已知的压电复合材料种类众多，例如：中国专利文献CN201310025599.X，公开日2013.05.15，公开了一种透明抗静电的聚偏氟乙烯压电材料及其制备方法，该聚偏氟乙烯压电材料为聚偏氟乙烯和离子液体的混合物，方法是首先将聚偏氟乙烯和离子液体80～110℃下真空干燥24～48h；干燥后的聚偏氟乙烯和离子液体按质量比为100:0.5～40，加入熔融混炼设备180～200℃下熔融混炼，得到混合物；最后将混合物从熔融混炼设备中出料，降至常温并结晶，得到聚偏氟乙烯压电材料。中国专利文献CN201410820024.1，公开日2015.04.22，公开了一种超韧压电聚乳酸/聚偏氟乙烯合金材料及其制备方法，该材料为共混物，主要包括聚乳酸树脂、聚偏氟乙烯树脂、相容剂，还可包括聚乳酸结晶成核剂、无机填料、其他热塑性树脂；聚乳酸树脂为聚乳酸树脂和聚偏氟乙烯树脂总重量的5～95wt％，聚偏氟乙烯树脂为聚乳酸树脂和聚偏氟乙烯树脂总重量的95～5wt％，相容剂为聚乳酸树脂和聚偏氟乙烯树脂总重量的0.01～15wt％，将上述原料熔融共混后，以5～20毫米/分钟的拉伸速率在常温下进行拉伸1～5倍即可。
人工韧带为全部或部分地传送软组织和软组织、软组织和硬组织、硬组织和硬组织之间作用力的植入物，还包括类似天然结构的支撑韧带以及与天然结构同时使用的韧带假体，用于韧带损伤的替代修复。目前人工韧带的缺点是不具有模拟韧带含有的本体感受器的感受本体感觉——生成生物电冲动——上传的功能，该功能的缺失是人工韧带植入手术康复效果不佳的关键原因。
目前关于压电复合材料在人工韧带中的应用尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种高分子压电复合材料。
本发明的再一的目的是，提供所述的高分子压电复合材料的制备方法。
本发明的另一的目的是，提供所述的高分子压电复合材料的用途。
本发明的第四个目的是，提供一种人工韧带。
为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：
一种高分子压电复合材料，所述的高分子压电复合材料的制备方法包括以下步骤：将聚偏氟乙烯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮按照质量比(1-3):(4-6):(4-6)混合，在室温下搅拌24-72h至聚偏氟乙烯完全溶解，得到聚偏氟乙烯溶液；随后向聚偏氟乙烯溶液中加入质量为聚偏氟乙烯2-80wt％的压电功能体，在室温下搅拌48-72h，即得到压电功能体均匀分散的聚偏氟乙烯混合液，造粒；所述的压电功能体选自钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、罗息盐(NaKC2H4O6·4H2O)、锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3，PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅、钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3，BNT)中的一种或几种。
优选地，所述的压电功能体选自钛酸钡、钛酸铋钠中的一种或两种。
更优选地，所述的压电功能体选自钛酸铋钠。
优选地，所述的压电功能体质量为聚偏氟乙烯质量的40-80wt％。
更优选地，所述的压电功能体质量为聚偏氟乙烯质量的48-65wt％。
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：
一种高分子压电复合材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：将聚偏氟乙烯、N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照质量比(1-3):(4-6):(4-6)混合，在室温下搅拌24-72h至聚偏氟乙烯完全溶解，得到聚偏氟乙烯溶液；随后向聚偏氟乙烯溶液中加入质量为聚偏氟乙烯2-80wt％的压电功能体，在室温下搅拌48-72h，即得到压电功能体均匀分散的聚偏氟乙烯混合液，造粒；所述的压电功能体选自钛酸钡、钛酸铅、罗息盐、锆钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅、钛酸铋钠中的一种或几种。
优选地，所述的压电功能体选自钛酸钡、钛酸铋钠中的一种或两种。
优选地，所述的压电功能体选自钛酸铋钠。
为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是：
如上任一所述的高分子压电复合材料在制备人工韧带中的应用。
为实现上述第四个目的，本发明采取的技术方案是：
一种人工韧带，所述的人工韧带由如上任一所述的高分子压电复合材料制成。
本发明优点在于：
1、本发明制备的高分子压电复合材料原料组成及比例合理，压电性能十分优异；
2、本发明提供了所述的高分子压电复合材料在制备人工韧带中的应用，本发明制备的高分子压电复合材料可达到纳米级，能够产生电势，因此制备的人工韧带能够能够感知关节形变，产生生物电，电流通过韧带残端的神经末梢可以上传至中枢，且无毒、无害、生物相容性强。
附图说明
附图1是本发明的人工韧带的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
实施例1本发明的高分子压电复合材料的制备(一)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 48wt％的BNT，在室温下搅拌60h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例2本发明的高分子压电复合材料的制备(二)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 65wt％的BNT，在室温下搅拌60h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例3本发明的高分子压电复合材料的制备(三)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 55wt％的BNT，在室温下搅拌60h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例4本发明的高分子压电复合材料的制备(四)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 48wt％的BaTiO3，在室温下搅拌60h，即得到BaTiO3均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例5本发明的高分子压电复合材料的制备(五)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 65wt％的BaTiO3，在室温下搅拌60h，即得到BaTiO3均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例6本发明的高分子压电复合材料的制备(六)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 55wt％的BaTiO3，在室温下搅拌60h，即得到BaTiO3均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例7本发明的高分子压电复合材料的制备(七)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 48wt％的BNT和BaTiO3，其中BNT和BaTiO3质量比1:1，在室温下搅拌60h，即得到压电功能体均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例8本发明的高分子压电复合材料的制备(八)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 65wt％的BNT和BaTiO3，其中BNT和BaTiO3质量比1:1，在室温下搅拌60h，即得到压电功能体均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例9本发明的高分子压电复合材料的制备(九)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 55wt％的BNT和BaTiO3，其中BNT和BaTiO3质量比1:1，在室温下搅拌60h，即得到压电功能体均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例10本发明的高分子压电复合材料的制备(十)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比1:4:6混合，在室温下搅拌24h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 48wt％的BNT，在室温下搅拌48h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例11本发明的高分子压电复合材料的制备(十一)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比3:6:4混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 65wt％的BNT，在室温下搅拌60h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例12本发明的高分子压电复合材料的制备(十二)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比1:6:4混合，在室温下搅拌72h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 55wt％的BNT，在室温下搅拌72h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例13本发明的高分子压电复合材料的制备(十三)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比1:4:6混合，在室温下搅拌24h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 48wt％的PbTiO3，在室温下搅拌48h，即得到PbTiO3均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例14本发明的高分子压电复合材料的制备(十四)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比3:6:4混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 80wt％的NaKC2H4O6·4H2O和PZT，其中NaKC2H4O6·4H2O和PZT质量比1:1，在室温下搅拌60h，即得到压电功能体均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例15本发明的高分子压电复合材料的制备(十五)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比1:6:4混合，在室温下搅拌72h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 40wt％的铌镁酸铅-钛酸铅和BNT，其中铌镁酸铅-钛酸铅和BNT质量比1:1，在室温下搅拌72h，即得到压电功能体均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例16本发明的高分子压电复合材料的制备(十六)
将PVDF、DMF和丙酮按照质量比1:6:4混合，在室温下搅拌72h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF 2wt％的钛酸钡、铌镁酸铅-钛酸铅和BNT，其中钛酸钡、铌镁酸铅-钛酸铅和BNT质量比1:1:1，在室温下搅拌72h，即得到压电功能体均匀分散的PVDF混合液，造粒。
对比例1
将聚苯乙烯、DMF和丙酮按照质量比2:5:5混合，在室温下搅拌48h至PVDF完全溶解，得到PVDF溶液；随后向PVDF溶液中加入质量为PVDF48wt％的BNT，在室温下搅拌60h，即得到BNT均匀分散的PVDF混合液，造粒。
实施例17本发明的高分子压电复合材料的性能测试
制作实施例1-16制备的高分子压电复合材料的极化-电场(The polarizationversus electric field，P-E)磁滞循环曲线，测试条件为：室温下，频率为3Hz，施加电压为3KV/mm。结果见表1，数据表明本发明制备的高分子压电复合材料压电性能十分优异。
表1高分子压电复合材料的压电性能
实施例18
将实施例1-16任一制备的高分子压电复合材料混合粒子挤出，机械加工成型或者浇铸模具成型，制成人工韧带。由于本发明的高分子压电复合材料结构可达到纳米级，能够产生电势，因此制备的人工韧带能够能够感知关节形变，产生生物电，电流通过韧带残端的神经末梢可以上传至中枢，且无毒、无害、生物相容性强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高分子压电复合材料，其特征在于，所述的高分子压电复合材料的制备方法包括以下步骤：将聚偏氟乙烯、N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照质量比(1-3):(4-6):(4-6)混合，在室温下搅拌24-72h至聚偏氟乙烯完全溶解，得到聚偏氟乙烯溶液；随后向聚偏氟乙烯溶液中加入质量为聚偏氟乙烯48-65wt％的压电功能体，在室温下搅拌48-72h，即得到压电功能体均匀分散的聚偏氟乙烯混合液，造粒；所述的压电功能体选自钛酸钡、钛酸铋钠中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的高分子压电复合材料，其特征在于，所述的压电功能体选自钛酸铋钠。
3.一种高分子压电复合材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：将聚偏氟乙烯、N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照质量比(1-3):(4-6):(4-6)混合，在室温下搅拌24-72h至聚偏氟乙烯完全溶解，得到聚偏氟乙烯溶液；随后向聚偏氟乙烯溶液中加入质量为聚偏氟乙烯48-65wt％的压电功能体，在室温下搅拌48-72h，即得到压电功能体均匀分散的聚偏氟乙烯混合液，造粒；所述的压电功能体选自钛酸钡、钛酸铋钠中的一种或两种。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的压电功能体选自钛酸铋钠。
5.权利要求1或2所述的高分子压电复合材料在制备人工韧带中的应用。
6.一种人工韧带，其特征在于，所述的人工韧带由权利要求1或2所述的高分子压电复合材料制成。
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