[發明專利]壓電聚合物元件及其制備方法和裝置

無效

• 申請號: 201180044344.7
• 申請日: 2011-09-15
• 公開（公告）號: CN103097105A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 伊萊亞斯·斯奧利斯;瑪根達帕·L（拉維）·哈蒂馬尼
• 申請（專利權）人: 博爾頓大學
• 主分類號: B29C47/00
• 分類號: B29C47/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理事務所(普通合伙) 11270
• 代理人: 徐川;張穎玲

技術領域

本發明涉及諸如纖維或膜的壓電聚合物元件。本發明還涉及形成壓電聚合物元件的方法和形成壓電聚合物元件的裝置。本發明進一步涉及包括導電層和壓電聚合物纖維的壓電構造和并入該壓電構造的能量轉換系統。

背景技術

壓電材料已廣泛地用于多種應用中。已經進行了若干嘗試將它們用在發電領域，使用陶瓷壓電材料取得很小的成功。自從1969年在聚合物中發現壓電性以來，已經報道了多種應用類研究。聚合物現在是眾所周知的具有約35PC/N的電荷位移系數d₃₃的壓電材料的候選。聚合物和聚合物共混物容易熔融擠出成薄膜或纖維。它們具有相對低的熔融溫度(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)在約175℃時熔融)，從而使它們比陶瓷更容易處理。表現出高壓電行為的柔韌的聚合物的可利用性，再加上我們對可再生能源的需求增加，使得現在使用壓電材料產生電能成為引人關注的選擇。

關于作為壓電材料的聚合物的以前的工作已經報道了在薄膜或塊樣品中的發展。聚合物纖維可具有多種潛在的應用，例如傳感器、驅動器和能量采集(energy?scavenging)裝置。當上述纖維以兩維結構例如紡織品的形式，或以一維結構例如繩的形式使用時，新能源采集應用的潛力是巨大的?？赡艿哪芰坎杉徔椘窇每砂ㄓ糜趶娘L、雨、潮和波收集機械能用于產生電能的結構。

以前的工作包括對使用宏觀纖維復合材料(MFC)的能量收集技術的概念的證明。在該工作中使用的MFC是壓電鋯鈦酸鉛(PZT)纖維的復合材料。由于PZT纖維不柔韌，需要將它們制備成用作能量采集壓電材料的復合材料。另一方面，聚合物纖維是柔韌的，并且能在制備復合材料以及兩維復合材料結構和三維復合材料結構中使用。因此，它們可用于更廣泛的應用中，特別是如果比壓電陶瓷可更具成本效益地生產它們。

以前的工作已包括用于制備多層構造中的壓電共聚物纖維的復雜的多階段過程。然而，該制備方法復雜，并且需要不能容易地組合成流線型連續生產過程的很多個加工階段。

發明內容

因此，本發明實施方式的目的是提供一種具有簡單結構的改進的壓電聚合物元件，例如纖維或膜。本發明實施方式的另一目的是提供一種通過連續過程生產該壓電聚合物元件的改進的方法。本發明實施方式進一步的目的是提供一種利用該改進的方法生產壓電聚合物元件的裝置。本發明實施方式進一步的目的是提供一種包括該改進的壓電聚合物元件用于將機械能轉換成電能的壓電構造，并提供一種包括該壓電構造的能量轉換系統。

根據本發明的第一方面，提供一種形成壓電聚合物元件的方法，包括擠出聚合物材料并同時使擠出材料的部分極化的步驟。

這可提供方便的形成過程，因為擠出和極化同時進行。

優選上述元件是纖維?；蛘?，上述元件是膜。

上述元件優選由聚合物粒料的進料擠出。該粒料可包括聚偏二氟乙烯、聚丙烯或聚乙烯。該粒料可包括具有分散的壓電陶瓷顆粒的聚合物。該壓電陶瓷顆?？梢允荘ZT或PMT-PT。

上述元件優選從熔融擠出機中擠出。該熔融擠出機可將聚合物在進料螺桿處保持在比其熔點高的第一溫度，并可將聚合物在擠出模頭處保持在更高的第二溫度。在優選的實施方式中，所述第一溫度可比熔點高20℃，并且所述第二溫度可比熔點高30℃。

擠出的元件可通過鼓風機冷卻。在極化前可將該部分拉伸橫跨一個或多個冷卻輥。

在極化前可將部分拉伸橫跨一個或多個加熱輥。該部分可優選加熱至高于其玻璃化轉變溫度并且低于其熔融溫度的溫度。該部分可加熱至60℃和90℃之間。更優選，該部分可加熱至基本70℃。

該部分在極化前優選在超過其屈服應力的拉力下拉伸以使所述部分塑性延伸。該部分可塑性延伸至達到至少2∶1的伸長比。更優選該伸長比可以是至少3∶1。更優選該伸長比可以是至少4∶1。更優選該伸長比基本上是4∶1。有利的是，在極化前該部分在擠出后立即可延伸至達到其起始厚度的四分之一的厚度。

極化包括橫跨所述部分施加電場。優選上述電場可以在0.5MV/m和1.5MV/m之間。更優選上述電場可以在1.0MV/m和1.3MV/m之間。在一種實施方式中，電場基本可以是1MV/m。

根據本發明的第二方面，提供一種用于形成壓電聚合物元件的裝置，該裝置包括用于由粒狀進料擠出所述聚合物元件的擠出機和用于在擠出所述元件的同時橫跨所述元件的部分施加電場的一對電極。