TWI828170B - 多晶相聚偏氟乙烯薄膜的製作方法以及使用多晶相聚偏乙烯薄膜的穿戴式裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提出一種多晶相聚偏氟乙烯薄膜的製作方法。依據本發明的製作方法所得到的多晶相聚偏氟乙烯薄膜同時具有β晶相及γ晶相，因此本發明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜具有良好的壓電效應以感測不同方向的壓力或張力。同時本發明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜也具有良好的熱釋電效應以供感測周遭溫度。
Description
本發明是有關一種聚偏氟乙烯薄膜(polyvinylidene difluoride; PVDF)的製作方法，特別是關於一種多晶相的聚偏氟乙烯薄膜的製作方法。
聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride; PVDF)除具有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性、耐射線輻射性能外，還具有壓電效應、熱釋電效應和介電效應，因此被廣泛應用於壓電薄膜、太陽能背板膜、鋰電池隔膜等功能性薄膜。壓電效應是指，當壓電晶體在外力作用下發生形變時，在其某些相對應的表面上會出現等量異號電荷。熱釋電效應是指，極性電介質因溫度變化而發生電極化改變的現象。熱釋電效應可用於量測環境溫度或體溫。
與傳統的壓電材料(如陶瓷壓電片)相比，聚偏氟乙烯具有頻響寬、動態範圍大、力點轉換靈敏度高、力學性能好、機械強度高、聲阻抗易匹配等特點，並具有重量輕、柔軟不脆、耐衝擊、不易受水和化學藥品的汙染、易製成任意形狀及面積不等的片材或管材等優勢。在力學、聲學、光學、電子、測量、紅外、安全報警、醫療保健、軍事、交通、資訊工程、辦公自動化、海洋開發、地質勘探等技術領域應用十分廣泛。
聚偏氟乙烯形成的壓電薄膜具有厚度薄、質量輕、非常柔軟以及可以在無電源下工作等優點，因此廣泛應用於醫用感測器等器件。聚偏氟乙烯形成的壓電薄膜作為一種動態應變感測器，非常適合應用於人體皮膚表面或植入人體內部進行生理狀態監測，例如監測呼吸及心跳。
聚偏氟乙烯為多晶型聚合物，可以通過使用添加劑等不同方法來得到不同晶相的聚偏氟乙烯薄膜。其晶相主要包括α晶相、β晶相及γ晶相。α晶相的聚偏氟乙烯具有高熱力學穩定性，其晶格中TGTG'的分子鏈構象導致其分子鏈偶極子極性相反而不顯極性。β晶相的聚偏氟乙烯為正交晶系的全反式構象TTT，具有自發極性，壓電性能優異。γ晶相的聚偏氟乙烯的分子構象為TTTGTTTG'，同一晶胞內兩條分子鏈平行排列，由於偶極距方向相同而具有極性。圖1、圖2及圖3分別顯示α晶相、β晶相及γ晶相的聚偏氟乙烯的分子結構，其中C為碳(Carbon)原子，F為氟(Fluorine)原子，H為氫(Hydrogen)原子。
聚偏氟乙烯的β晶相與γ晶相具有較高的自發極化強度，是聚偏氟乙烯的重要晶相結構。β晶相與γ晶相的聚偏氟乙烯具有優異的鐵電性、熱釋電性和壓電性能。
近年來，聚偏氟乙烯薄膜也開始應用在穿戴式裝置上。然而，目前的聚偏氟乙烯薄膜只應用其某一種晶相，功能單一，因此在空間受限的穿戴式裝置上的應用受到限制。為此，本發明提出一種多晶相聚偏氟乙烯薄膜以同時提供多種功能。
本發明的目的之一，在於提出一種多晶相的聚偏氟乙烯薄膜的製作方法。
本發明的目的之一，在於提出一種使用多晶相聚偏乙烯薄膜的穿戴式裝置。
根據本發明，一種多晶相聚偏氟乙烯薄膜的製作方法包括：將一聚偏氟乙烯溶液塗佈於一基板上以形成膜狀，並加熱該基板上的該聚偏氟乙烯溶液至其熔點以上，以產生一第一聚偏氟乙烯薄膜；冷卻該第一聚偏氟乙烯薄膜，以得到半熔融狀態、過冷態且具有α晶相的第二聚偏氟乙烯薄膜；利用靜電紡絲製備具有β晶相的多條聚偏氟乙烯纖維；將該多條聚偏氟乙烯纖維平行排列在該第二聚偏氟乙烯薄膜上，以得到第三聚偏氟乙烯薄膜；以一固定溫度對該第三聚偏氟乙烯薄膜進行加熱退火，以使α相晶體相變為γ相晶體，最終得到具有β晶相及γ晶相的該多晶相聚偏氟乙烯薄膜。
在一實施例中，可以將一聚偏氟乙烯材料溶於一溶劑中以配製出該聚偏氟乙烯材料溶液，其中該溶劑可以是但不限於二甲基甲醯胺(DMF)。
在一實施例中，產生該第一聚偏氟乙烯薄膜的步驟包括將該基板上的該聚偏氟乙烯溶液加熱至熔點(如200℃)以上以產生該第一聚偏氟乙烯薄膜。
在一實施例中，該固定溫度可為160℃。
在一實施例中，產生該多條聚偏氟乙烯纖維的步驟包括對聚偏氟乙烯材料進行靜電紡絲，以產生該多條聚偏氟乙烯纖維。
根據本發明，一種穿戴式裝置包括一多晶相聚偏氟乙烯薄膜、一開關裝置以及一處理器。該多晶相聚偏氟乙烯薄膜具有β晶相及γ晶相。該多晶相聚偏氟乙烯薄膜可以感測溫度及壓力產生一溫度感測信號及一壓力感測信號。該處理器耦接該多晶相聚偏氟乙烯薄膜及該開關裝置，根據該溫度感測信號控制該開關裝置以啟動或關閉該穿戴式裝置，以及根據該壓力感測信號產生一電信號。
在一實施例中，該多晶相聚偏氟乙烯薄膜感測到人體溫度時，該處理器根據該溫度感測信號啟動該穿戴式裝置。
在一實施例中，該多晶相聚偏氟乙烯薄膜未感測到人體溫度時，該處理器根據該溫度感測信號關閉該穿戴式裝置。
在一實施例中，該電信號用以判斷生理狀態或產生相關資訊。
在一實施例中，該生理狀態包括心跳、血壓或呼吸。
在一實施例中，該相關資訊包括壓力、重量或距離。
為了使本發明內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述，但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。本發明可以藉由多種不同形式實現，不應解釋為僅局限於這裡所闡述的實施例。提供這些實施例是為了使本發明更為全面和完整的公開，並使本領域的技術人員更充分地瞭解本發明的範圍。
本文中提到的數值或範圍，除非另有明確陳述，不然的話這些數值或範圍是近似的。
這裡所用的專有名詞僅用於描述特定的實施例而並非意圖限定本發明。如這裡所用的，單數形式 「一」、「一個」和「該」也意圖涵蓋複數形式，除非上下文清楚指明是其它情況。還應該理解，當在說明書中使用術語「包含」、「包括」時，指明了所述特徵、整體、步驟、操作、元件及/或部件的存在，但不排除一個或多個其它特徵、整體、步驟、操作、元件及/或部件的存在。
除非另外定義，這裡所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所述領域的並通技術人員所通常理解的含義相同的含義。還應當理解，比如在通用的辭典中所定義的那些術語，應解釋為具有與它們在相關領域的環境中的含義相一致的含義，而不應以過度理想化或過度正式的含義來解釋，除非在本文中明確地定義。
在本文中，詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其他情下，為簡化圖式，熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。
在各實施例中，一個特徵、元件或電路形成於另一個特徵、元件或電路上、連接至及/或耦接至另一特徵、元件或電路，可包括這些特徵、元件或電路連接接觸的實施方式，亦可包括有另一特徵、元件或電路可成並中介於這些特徵、元件或電路之間，使得這些特徵、元件或電路可不直接接觸的實施方式。
圖4顯示本發明製作多晶相聚偏氟乙烯薄膜的流程。在圖4的步驟S10中，配製一聚偏氟乙烯溶液，並將聚偏氟乙烯溶液塗佈在一基板上以形成膜狀，接著將基板上的聚偏氟乙烯溶液加熱至其熔點以上，以使該聚偏氟乙烯溶液平整成為一第一聚偏氟乙烯薄膜。在步驟S10所產生的第一聚偏氟乙烯薄膜為一半熔體薄膜。對該聚偏氟乙烯溶液進行加熱，除了可以產生該第一聚偏氟乙烯薄膜之外，還可以消除該聚偏氟乙烯溶液中聚偏氟乙烯材料的熱歷史，使得後續結晶時不受之前的生成條件的影響。其中熱歷史包括聚偏氟乙烯材料在成型出廠前受到的溫度、剪切及拉伸等影響。在一實施例中，可以將基板上的聚偏氟乙烯溶液加熱至約200℃以得到該第一聚偏氟乙烯薄膜。在一實施例中，該聚偏氟乙烯溶液的配製步驟包括將一聚偏氟乙烯材料溶於相應溶劑中以得到該聚偏氟乙烯溶液，其中該溶劑包括但不限於二甲基甲醯胺(DMF)。
在步驟S10完成產生該第一聚偏氟乙烯薄膜後，進行圖4的步驟S12。在步驟S12中，讓該第一聚偏氟乙烯薄膜進行冷卻以形成半熔融態的第二聚偏氟乙烯薄膜。該第二聚偏氟乙烯薄膜具有α晶相。在一實施例中，該第一聚偏氟乙烯薄膜會從約為200℃的溫度冷卻至約為160℃的溫度以得到該第二聚偏氟乙烯薄膜。步驟S12的冷卻方式包括但不限於自然冷卻。
在圖4的步驟S14中，將一聚偏氟乙烯材料放置到一靜電紡絲設備中進行靜電紡絲，以產生具有β晶相的多條聚偏氟乙烯纖維。在靜電紡絲過程中，該聚偏氟乙烯材料將被熔融以消除該聚偏氟乙烯材料的熱歷史，以避免對後續的結晶造成影響。靜電紡絲為透過高電場來製備纖維的一項技術，透過靜電紡絲所製成的聚偏氟乙烯纖維的β晶相較穩定且容易製備，主要是因為靜電紡絲給予聚偏氟乙烯材料電極化時會同時進行拉伸固化。靜電紡絲為常見的技術，因此其具體操作及原理於此不再贅述。在圖4的實施例中，使用靜電紡絲方式來產生具有β晶相的多條聚偏氟乙烯纖維，但本發明不限於此，其他可以產生具有β晶相的聚偏氟乙烯纖維的方式也適用於本發明。
在圖4的實施例中，步驟S10和步驟S14可以同時進行，或是其中一個步驟完成後再進行另一個。例如先進行步驟S10及S12後再進行步驟S14，或者先進行步驟S14後再進行步驟S10及S12。
在圖4的實施例中，步驟S10中使用的聚偏氟乙烯溶液中的聚偏氟乙烯材料與步驟S14中使用的聚偏氟乙烯材料可以相同，也可以不同。
在得到該第二聚偏氟乙烯薄膜以及該多條聚偏氟乙烯纖維後進行步驟S16。在步驟S16中，將該第二聚偏氟乙烯薄膜放置於一收集台上，並將該多條聚偏氟乙烯纖維平行排列在該第二聚偏氟乙烯薄膜上，以得到具有α晶相及β晶相的第三聚偏氟乙烯薄膜。在一實施例中，該收集台可以是靜電紡絲收集臺。
在一實施例中，當步驟S10完成以得到該第一聚偏氟乙烯薄膜後，可以將該第一聚偏氟乙烯薄膜轉移至該收集台上，在此轉移過程中，該第一聚偏氟乙烯薄膜有足夠時間自然冷卻以形成半熔融態的該第二聚偏氟乙烯薄膜。
在得到該第三聚偏氟乙烯薄膜後，進行步驟S18。在圖4的步驟S18中，將該第三聚偏氟乙烯薄膜放置在加熱台上，並以一固定溫度對該第三聚偏氟乙烯薄膜進行加熱退火。在步驟S18的加熱退火過程中，由於第三聚偏氟乙烯薄膜具有β晶相的聚偏氟乙烯纖維，因此第三聚偏氟乙烯薄膜中的α相晶體將相變為γ相晶體，進而產生具有β晶相及γ晶相的多晶相聚偏氟乙烯薄膜。在一實施例中，步驟S18使用的固定溫度約為160℃，而持續加熱時間約為48小時。
本發明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜同時具有β晶相及γ晶相，由於β晶相及γ晶相的排佈呈90℃夾角，因此多晶相聚偏氟乙烯薄膜在不同方向(如d31及d33)都具有良好的壓電效應。換言之，當本發明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜應用在環狀穿戴式裝置時，可以感測各個不同方向的壓力或張力。此外，由於β晶相及γ晶相都具有熱釋電效應，因此本發明的多晶相聚偏氟乙烯薄膜也可以達成溫度的感測。在穿戴式裝置中，多晶相聚偏氟乙烯薄膜的溫度感測功能可以用來感測人體溫度，當多晶相聚偏氟乙烯薄膜感測到體溫或感測到的溫度高於一預設值時，穿戴式裝置將被啟動。相反的，當多晶相聚偏氟乙烯薄膜未感測到體溫或感測到的溫度低於一預設值時，穿戴式裝置將被關閉。此自動啟動及關閉穿戴式裝置的功能，可以避免使用者忘記關閉穿戴式裝置，導致電力浪費，而且還可以延長穿戴式裝置的使用壽命。
圖5顯示使用本發明多晶相聚偏氟乙烯薄膜12的穿戴式裝置10。在圖5的實施例中，穿戴式裝置10包括多晶相聚偏氟乙烯薄膜12、處理器14及開關裝置16。多晶相聚偏氟乙烯薄膜12同時具有β晶相及γ晶相。處理器14連接多晶相聚偏氟乙烯薄膜12及開關裝置16。開關裝置16是用以控制穿戴式裝置10的啟動及關閉。穿戴式裝置10可以是但不限於脈搏感測器。
圖5的處理器14可以是利用硬體、韌體及/或軟體的機器，並且實體上適於透過布林邏輯(或稱布爾邏輯)在形成特定的實體電路的複數個邏輯閘上操作以執行藉由可執行的機器指令所定義的特定的任務。處理器可以利用機械，氣動，液壓，電，磁，光，資訊，化工，與/或生物學原理，機制，適應，信號，輸入，與/或輸出以執行任務。處理器可以是通用的裝置，如微控制器及/或微處理器。在某些實施方式，處理器可以是專門用途的裝置，如特定應用積體電路(ASIC)或現場可程式閘列(FPGA)。
圖5的開關裝置16為一種打開/關閉電路用以切斷或導通電流路徑。在一實施例中，開關裝置16可以是但不限於由一個電晶體所形成的開關。
圖6顯示圖5的穿戴式裝置10的操作的第一實施例。如圖6的步驟S20及S22所示，當使用者將穿戴式裝置10配戴在手腕上時，穿戴式裝置10的多晶相聚偏氟乙烯薄膜12感測到使用者的體溫，多晶相聚偏氟乙烯薄膜12因而輸出一溫度感測信號至處理器14。處理器14在接收到來自多晶相聚偏氟乙烯薄膜12的溫度感測信號後，處理器14會控制開關裝置16來啟動穿戴式裝置10，如圖6的步驟S24所示。當使用者將穿戴式裝置10取下時，穿戴式裝置10的多晶相聚偏氟乙烯薄膜12無法感測到使用者的體溫，因此多晶相聚偏氟乙烯薄膜12停止輸出溫度感測信號至處理器14，如圖6的步驟S26及S28所示。在多晶相聚偏氟乙烯薄膜12停止輸出溫度感測信號後，處理器14會控制開關裝置16來關閉穿戴式裝置10，如圖6的步驟S29所示。
圖7顯示圖5的穿戴式裝置10的操作的第二實施例。當使用者將穿戴式裝置10配戴在手腕上時，穿戴式裝置10的多晶相聚偏氟乙烯薄膜12可以感測到手腕上的壓力或張力，如圖7的步驟S30所示。手腕上的壓力或張力是來自於脈搏的跳動或手臂的擺動。依據感測到的壓力或張力，多晶相聚偏氟乙烯薄膜12產生一壓力感測信號給處理器14。處理器14依據壓力感測信號決定一電信號，如步驟S32所示。穿戴式裝置10依據該電信號判斷使用者的生理狀態或產生相關資訊。最後穿戴式裝置10可以將得到的生理狀態或相關資訊反饋給使用者，如步驟S34所示。反饋給使用者的方式包括但不限於將生理狀態或相關資訊顯示在一顯示器上，其中該顯示器可以設置在穿戴式裝置10上或外接。依據穿戴式裝置10的類型，穿戴式裝置10得到的生理狀態會不同，例如當穿戴式裝置10為脈搏感測器時，生理狀態可以是使用者的心跳或血壓。當穿戴式裝置10為呼吸感測器時，生理狀態可以是使用者的呼吸。同樣的，依據穿戴式裝置10的類型不同，穿戴式裝置10得到的相關資訊可以是但不限於壓力、重量或距離。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10．．．穿戴式裝置
12．．．多晶相聚偏氟乙烯薄膜
14．．．處理器
16．．．開關裝置
S10．．．步驟
S12．．．步驟
S14．．．步驟
S16．．．步驟
S18．．．步驟
S20．．．步驟
S22．．．步驟
S24．．．步驟
S26．．．步驟
S28．．．步驟
S29．．．步驟
S30．．．步驟
S32．．．步驟
S34．．．步驟
C．．．碳原子
F．．．氟原子
H．．．氫原子
圖1顯示α晶相的聚偏氟乙烯的分子結構。
圖2顯示β晶相的聚偏氟乙烯的分子結構。
圖3顯示γ晶相的聚偏氟乙烯的分子結構。
圖4顯示本發明製作多晶相聚偏氟乙烯薄膜的流程。
圖5顯示使用本發明多晶相聚偏氟乙烯薄膜的穿戴式裝置。
圖6顯示圖5的穿戴式裝置的操作的第一實施例。
圖7顯示圖5的穿戴式裝置的操作的第二實施例。
S10．．．步驟
S12．．．步驟
S14．．．步驟
S16．．．步驟
S18．．．步驟
Claims (11)
- 一種多晶相聚偏氟乙烯薄膜的製作方法，包括下列步驟：將一聚偏氟乙烯溶液塗佈於一基板上以形成膜狀，並加熱該基板上的該聚偏氟乙烯溶液至其熔點以上，以產生一第一聚偏氟乙烯薄膜；冷卻該第一聚偏氟乙烯薄膜，以得到半熔融狀態、過冷態且具有α晶相的第二聚偏氟乙烯薄膜；產生具有β晶相的多條聚偏氟乙烯纖維；將該多條聚偏氟乙烯纖維平行排列在該第二聚偏氟乙烯薄膜上，以得到具有α晶相及β晶相的第三聚偏氟乙烯薄膜；以及以一固定溫度對該第三聚偏氟乙烯薄膜進行加熱退火，以產生具有β晶相及γ晶相的該多晶相聚偏氟乙烯薄膜。
- 如請求項1所述的製作方法，更包括將一聚偏氟乙烯材料溶於一溶劑中以配製出該聚偏氟乙烯溶液。
- 如請求項1所述的製作方法，其中產生該第一聚偏氟乙烯薄膜的步驟包括將該基板上的該聚偏氟乙烯溶液加熱至200℃以產生該第一聚偏氟乙烯薄膜。
- 如請求項1所述的製作方法，其中該固定溫度為160℃。
- 如請求項1所述的製作方法，其中產生該多條聚偏氟乙烯纖維的步驟包括對一聚偏氟乙烯材料進行靜電紡絲，以產生該多條聚偏氟乙烯纖維。
- 一種穿戴式裝置，包括：如請求項1所述的多晶相聚偏氟乙烯薄膜，該多晶相聚偏氟乙烯薄膜感測溫度及壓力產生一溫度感測信號及一壓力感測信號； 一開關裝置；以及一處理器，耦接該多晶相聚偏氟乙烯薄膜及該開關裝置，根據該溫度感測信號控制該開關裝置以啟動或關閉該穿戴式裝置，以及根據該壓力感測信號產生一電信號。
- 如請求項6所述的穿戴式裝置，其中該多晶相聚偏氟乙烯薄膜感測到人體溫度時，該處理器根據該溫度感測信號啟動該穿戴式裝置。
- 如請求項6所述的穿戴式裝置，其中該多晶相聚偏氟乙烯薄膜未感測到人體溫度時，該處理器根據該溫度感測信號關閉該穿戴式裝置。
- 如請求項6所述的穿戴式裝置，其中該電信號用以判斷生理狀態或產生相關資訊。
- 如請求項9所述的穿戴式裝置，其中該生理狀態包括心跳、血壓或呼吸。
- 如請求項9所述的穿戴式裝置，其中該相關資訊包括壓力、重量或距離。
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