CN108442038A - 一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜及其制备方法，属于电子复合材料及微纳米功能材料技术领域。采用静电纺丝的工艺，使用陶瓷纤维、导电纤维等一维无机材料作为填料制备套管结构、定向排列的聚合物基复合薄膜。套管结构纤维复合薄膜的填料核心为钛酸钡、钛酸锶钡、锆钛酸铅等压电陶瓷纤维，或银纳米纤维、多壁碳纳米管等一维导电填料，无机填料被包裹在聚合物基体纤维中。所述聚合物基体可为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯‑三氟乙烯、聚偏氟乙烯‑三氟乙烯‑六氟丙烯等材料。通过调节填料含量和类型，压电输出电压可达20V，输出电流可达250nA。该复合材料具有柔性好、压电输出高、灵敏度高、重量轻的特点。可以作为可穿戴设备的电源、作为柔性传感器检测人体的活动等。

Description

一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于电子复合材料及微纳米功能材料技术领域，涉及采用 静电纺丝的工艺，使用压电陶瓷纤维、导电纤维等一维无机材料作为 填料的聚合物基套管结构、定向排列复合薄膜及其制备方法。该复合 材料具有柔性好、压电输出高、灵敏度高、重量轻的特点。
背景技术
压电材料是指受到外力的作用时在两端出现电压的晶体材料，能 够实现机械能和电能之间的相互转化。利用压电材料的特性，可以将 其用于制作各种传感器元件、微纳米能源器件。
钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(PZT)都是典型的压电陶瓷材料，具有 价格低、易合成、压电系数高等优点，目前都已经得到大量的应用。 但是由于其成型温度较高、不易制得复杂形状、脆性高等不足限制了 其特别是在快速发展的柔性电子器件领域的应用。聚偏氟乙烯(PVDF) 作为一种聚合物压电材料，因其材质柔韧、密度低、响应灵敏等优点 备受关注。PVDF是一种半结晶聚合物，具有α、β、γ、δ、ε五种晶 相，其中β晶相具有较高的偶极矩，表现出明显的压电效应，α晶相 是PVDF最稳定的晶相但没有压电性能，通过极化可转变为β晶相。 PVDF的二元、三元共聚物如聚偏氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))、 聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-TrFE-HFP))等在室温下更 容易表现为β晶相。PVDF基压电材料克服了陶瓷压电材料硬而脆、 难于加工等困难，具有广阔的应用前景。不过纯PVDF基聚合物的压 电效应远低于传统的陶瓷材料，机电转化效率不高，限制了其应用。
为综合解决陶瓷压电材料的脆性问题和聚合物压电材料的效率 问题，普遍的做法是将陶瓷材料与聚合物进行复合，结合二者的优点 (Nano Energy,15(2015)177-185.)。在之前的报道中，研究者将压电 陶瓷与压电聚合物复合从而得到同时具有柔性和较高压电效应的材 料，取得了一定进展(Composites Part B:Engineering,72(2015) 130-136；Smart Materials and Structures,26(2017)095060.)。但压电输 出功率还有很大的提升空间，并且需要对材料进行极化获得压电性能。
静电纺丝技术是目前公认的简单、低成本制备微米、纳米纤维材 料的方法。通过静电纺丝技术制备得到的PVDF复合纤维薄膜，具有 柔韧性好、压电相含量高(80％以上)、密度低、具有透气性的优点， 并且省去了传统制备压电PVDF薄膜的极化步骤，简化的制备工艺更 利于工业生产(Semiconductor Science and Technology,32(2017) 064004.)。为改善目前的问题，提升压电复合材料的机电转换能力， 我们利用静电纺丝工艺，将压电陶瓷材料与压电聚合物复合得到具有 套管结构的取向纤维薄膜。可以作为可穿戴设备的电源、作为柔性传 感器检测人体的活动等。
发明内容
本发明的目的是提供一种有高压电输出、柔性的取向套管结构纤 维薄膜及其制备方法。
一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜，其特征在于柔性压电纤维 薄膜由无机纤维填料和聚合物基体组成，纤维结构为取向套管结构。
进一步地，所述的聚合物基体由聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟- 三氟乙烯(P(VDF-TrFE))、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯 (P(VDF-TrFE-HFP))中的一种或两种材料组成。
进一步地，所述的无机纤维填料核心为锆钛酸铅PZT、钛酸钡 BT、钛酸锶钡BST或银纳米纤维、多壁碳纳米管MWCNT中的一种 或两种材料构成。
进一步地，所述的取向套管结构纤维的直径为100～3000nm；所 述柔性压电纤维薄膜的总厚度为10～500μm。
如上所述一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜的制备方法，其特 征在于纺丝液的配制和柔性压电纤维薄膜的制备工艺；柔性压电纤维 薄膜中的无机纤维填料可通过静电纺丝或水热法获得。
1)纺丝液的配制：称取适量改性后的无机纤维填料，置于DMF 和丙酮的混合溶剂有机溶剂中，超声波振荡分散至在溶剂中均匀分散 为悬浊液；加入适量的聚合物基体，搅拌至其完全溶解，得到纺丝液；
2)柔性压电纤维薄膜的制备工艺：将纺丝液放入注射器中，在 针头和接收滚轮分别加正电压和负电压，接收距离10～20cm，纺丝 电压8～20kV，滚轮直径为10cm时，接收滚轮转速调整为900～2000 rpm，推液速度为0.01～0.05ml/min。纺丝结束后将薄膜放在真空烘箱 中40～60℃干燥9～24h。
薄膜的性能测试：将薄膜两侧贴上铝箔、铜箔或直接在薄膜两侧 镀铜作为电极，夹在两层PET板中间封装，用导线从电极上引出后 进行压电性能测试。压电输出测试时，沿薄膜中套管纤维的取向方向 进行。
本发明的有益效果是：静电纺丝的制备工艺可以省去电场极化的 步骤，制备过程更简单，并且可以使填料均匀地在膜内分散，使用高 速旋转的接收滚轮在静电纺丝的过程中使纤维得到充分拉伸来提高 压电相含量，同时可以得到取向排列的纤维，使偶极取向一致，在取 向方向弯曲时获得更大的形变量，复合材料中的压电陶瓷纤维可以提 高复合材料整体的压电性能，具有高长径比压电陶瓷，受力更容易集 中，从而提升其压电输出。
附图说明
图1：套管结构取向纤维薄膜的静电纺丝工艺示意图。
图2：取向排列的BT/P(VDF-TrFE)套管纤维的扫描电镜图片。 图(a)为图(b)的放大图。
图3：接收滚轮转速分布为0rpm和900rpm得到的5vol％含量 BT/P(VDF-TrFE)纤维膜红外光谱图。转速为0rpm时β相含量为 80.4％，转速为900rpm时β相含量为86.9％。
图4：纯P(VDF-TrFE)和5vol％含量PZT/P(VDF-TrFE)纤维膜的 红外光谱图。纯P(VDF-TrFE)的β相含量为86.9％，添加5vol％PZT 纤维以后β相含量提升为91.3％。
图5：组装得到的压电器件示意图。
图6：接收滚轮转速为0rpm和900rpm得到的5vol％含量 BT/P(VDF-TrFE)纤维膜的压电输出(a)电压和(b)电流的测试结果。
图7：1500rpm接收的纯P(VDF-TrFE)和5vol％含量 PZT/P(VDF-TrFE)纤维膜的压电输出(a)电压和(b)电流的测试结 果。
具体实施方式
一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜的制备方法，以一种填料核 心为PZT纤维，PVDF聚合物为基体为例，取向套管结构纤维薄膜的 制备流程为：
1)纺丝液的配制：称取适量改性后的PZT纤维，置于有机溶剂(如 DMF和丙酮的混合溶剂)中，超声波振荡分散至PZT纤维在溶剂中 均匀分散为悬浊液；加入适量的聚合物(如PVDF)，搅拌至其完全 溶解，得到纺丝液；
2)取向套管结构纤维的静电纺丝工艺：将纺丝液放入注射器中， 在针头和接收滚轮分别加正电压和负电压，接收距离10～20cm，纺 丝电压8～20kV，接收滚轮转速调整为900～2000rpm，推液速度为 0.01～0.05ml/min。纺丝结束后将薄膜放在真空烘箱中40℃干燥10h。
实施例1
称取0.159g的表面改性后的BT纤维于烧杯中，加入3.20g的 DMF和2.13g的丙酮，超声分散1h成为均匀的悬浊液，缓慢加入 0.94g的干燥过的P(VDF-TrFE)，在30℃下加热搅拌10h至完全溶 解。将得到的纺丝液置于5mL注射器中进行静电纺丝，静电纺丝装 置如图1所示，设置纺丝电压为15kV，纺丝距离为15cm，滚轮转 速为1000rpm，推液速度为0.015ml/min，使用6#针头。连续电纺4 h将得到的薄膜置于真空烘箱中40℃烘干10h，得到含量为5vol％ 的BT/P(VDF-TrFE)纤维膜，扫描电镜照片如图2所示。可以看出电 纺得到的纤维均匀无串珠存在，无机纤维被完整包裹在聚合物基体当 中，形成了套管结构。纤维之间平行排列，具有明显的取向结构。
实施例2
称取0.318g的表面改性后的BT纤维于烧杯中，加入6.40g的 DMF和4.26g的丙酮，超声分散1h成为均匀的悬浊液，缓慢加入 1.88g的干燥过的P(VDF-TrFE)，在30℃下加热搅拌10h至完全溶 解。将得到的纺丝液置于10mL注射器中进行静电纺丝，静电纺丝装 置如图1所示，设置纺丝电压为15kV，纺丝距离为15cm，滚轮转 速分别为0和900rpm，推液速度为0.20ml/min，使用7#针头。连续 电纺5h将得到的薄膜置于真空烘箱中40℃烘干20h，得到BT/P(VDF-TrFE)纤维膜。图3为滚轮转速为分别为0和900rpm时， BT/P(VDF-TrFE)纤维膜的红外吸收光谱，β相含量分别为80.4％和 86.9％。接收滚轮的高转速起到了机械拉伸的作用，有利于β相形成。 将薄膜两侧贴上铝箔作为电极并连接导线，再用玻璃纸将薄膜封装起来，使用聚酰亚胺胶带固定好，制作成图5所示的器件以后沿纤维取 向方向进行压电性能测试。图6压电测试结果表明滚轮转速900rpm 时纤维取向薄膜的压电输出得到了提高。
实施例3
称取0.191g多巴胺表面改性后的PZT纳米纤维于烧杯中，加入 3.20g的DMF和2.13g的丙酮，超声分散1h成为均匀的悬浊液，加 入0.94g干燥过的P(VDF-TrFE)，在30℃下加热搅拌10h至完全溶 解。将得到的纺丝液置于5mL注射器中进行静电纺丝，静电纺丝装置如图1所示，设置纺丝电压为12.5kV，纺丝距离为15cm，滚轮 转速为1500rpm，推液速度为0.12ml/min，使用6#针头。连续电纺 4h得到的薄膜置于真空烘箱中40℃烘干10h，得到5vol％ PZT/P(VDF-TrFE)纤维膜。对得到的薄膜进行红外测试，结果如图4 所示，纯P(VDF-TrFE)与PZT/P(VDF-TrFE)纤维膜的β相含量分别为 86.9％和91.3％。加入PZT的成核剂作用能促进P(VDF-TrFE)中β相 的结晶。将薄膜两侧贴上铝箔作为电极并连接导线，再用玻璃纸将薄 膜封装起来，使用聚酰亚胺胶带固定好，制作成图5所示的器件以后 进行压电性能测试，图7的压电测试结果表明加入5％的PZT以后薄 膜的压电输出得到了明显提升。

Claims (7)

1.一种具有高输出的柔性压电纤维薄膜，其特征在于柔性压电纤维薄膜由无机纤维填料和聚合物基体组成，纤维结构为取向套管结构。
2.根据权利要求1所述的柔性压电纤维薄膜，其特征在于所述的聚合物基体由聚偏氟乙烯PVDF、聚偏氟-三氟乙烯P(VDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-TrFE-HFP)中的一种或两种材料组成。
3.根据权利要求1所述的柔性压电纤维薄膜，其特征在于所述的无机纤维填料核心为锆钛酸铅PZT、钛酸钡BT、钛酸锶钡BST或银纳米纤维、多壁碳纳米管MWCNT中的一种或两种材料构成。
4.根据权利要求1所述的柔性压电纤维薄膜，其特征在于所述的取向套管结构纤维的直径为100～3000nm；所述柔性压电纤维薄膜的总厚度为10～500μm。
5.根据权利要求1所述的柔性压电纤维薄膜的制造方法，其特征在于包括纺丝液的配制和柔性压电纤维薄膜的制备工艺，其中柔性压电纤维薄膜中的无机纤维填料通过静电纺丝或水热法获得；
1)纺丝液的配制：称取适量改性后的无机纤维填料，置于DMF、DMAc、丙酮或丁酮等有机溶剂或其混合溶剂中，超声波振荡分散至在溶剂中均匀分散为悬浊液；加入适量的聚合物基体，搅拌至其完全溶解，得到纺丝液；
2)柔性压电纤维薄膜的制备工艺：将纺丝液放入注射器中，在针头和接收滚轮分别加正电压和负电压，接收距离10～20cm，纺丝电压8～20kV，滚轮直径为10cm时，接收滚轮转速调整为900～2000rpm，推液速度为0.01～0.05ml/min；纺丝结束后将薄膜放在真空烘箱中40～60℃干燥9～24h。
6.根据权利要求5所述的柔性压电纤维薄膜的制造方法，其特征在于通过在薄膜两侧贴上铝箔、铜箔或直接在薄膜两侧镀铜作为电极，夹在两层PET板中间封装，用导线从电极上引出后则可作为压电传感器或压电发电机。
7.根据权利要求5所述的柔性压电纤维薄膜的制造方法，其特征在于压电输出测试时，沿薄膜中套管纤维的取向方向进行。
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