[發明專利]納米雜化PVDF復合膜及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 201210570452.4
• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103102622A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 孫毅;劉一志;曾凡林
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C08L27/16
• 分類號: C08L27/16;C08L83/08;C08K5/549;C08J5/18;H01L41/18
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識產權代理有限責任公司 11139
• 代理人: 孫皓晨;丁金玲

技術領域

本發明涉及一種壓電高分子雜化材料，特別是涉及一種含有多面低聚倍半硅氧烷（POSS）的聚偏氟乙烯（PVDF）復合膜及其制備方法和在壓電材料領域的應用。

背景技術

航天工業是標志著一個國家國防實力、尖端科技水平和綜合國力的戰略性產業。近年來，我國航天工業得到了迅速的發展。為了促進我國航天工業向著更快更強的方向發展，使用更為先進的技術，減輕航天器重量，提高航天器性能，是擺在航天工作人員面前的一項重要任務。同時，將智能結構系統引入各種人造衛星、載人飛船等航天器中，能夠明顯減輕航天器重量，并提高航天器的性能，具有重要的應用前景，是目前研究的重要方向之一。

其中具有高壓電性能的聚偏氟乙烯（PVDF）材料在航天材料中得到了的廣泛應用。PVDF材料是有機壓電高聚物中，壓電性能最好的聚合物材料。重量輕，延展性好，它可以很好的實現電能與機械能的轉換，從而有效控制航天器部件的形狀。

然而，制造應用于各種航天器的壓電材料時，需要考慮太空輻射對它們可能產生的影響。在低地球軌道，航天器飛行時要不斷經歷幾千eV到10GeV能量范圍不同劑量的地球電離輻射、銀河系宇宙射線、太陽粒子輻射物質、太空紫外線以及γ射線的沖擊，同時還要不斷承受速度為8Km/s，輻射計量率為1015原子/cm²的高能原子氧（atomicoxygen）的損傷。尤其是后者，這些高能量的原子氧能夠對PVDF壓電材料產生表面點蝕、侵蝕和沖刷，對材料的結構和壓電特性產生一定的影響，極有可能導致材料及器件失效。這樣很難保證PVDF材料的使用壽命。

實際上，實驗已經證實了原子氧（atomic?oxygen）是PVDF主要腐蝕中的潛在因素。解決的辦法是通過使用氧化硅涂層或附屬物降低原子氧對材料的腐蝕。如果它們形成了聚合物，無論是成為涂層或是成為塊狀材料的一部分，材料中的硅都能使腐蝕降低。但直接用無機氧化硅聚合物作為涂層也是不適用的，因為這會降低材料的柔韌性。

多面低聚倍半硅氧烷（Polyhedral?oligomeric?silsesquioxane，POSS)是由Si、O組成內部無機骨架，外部連接有機基團的納米級三維結構體系，分子多為籠形結構。POSS本身具有多孔納米結構和優異的熱穩定性，POSS雜化加固有機材料逐漸成為世界研究的熱點問題。POSS由于其特殊的分子結構和相關物理化學性質，使得其在諸如介電材料、液晶材料、航空航天、分子自組裝等很多領域都有很好的應用。為滿足未來航空航天等高科技領域對新一代高性能聚合物材料的需求，美國空軍投入巨資發展POSS基的新型化學材料，該材料成為美國軍方優先資助的納米材料技術之一。近年來，POSS改性的半導體材料已成為光電領域的新熱點，但在各種航天器壓電材料方面的應用報道不多。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種以壓電聚合物聚偏氟乙烯為基質，含有納米功能單體POSS的復合雜化PVDF復合膜。

為達上述目的，本發明一種納米雜化PVDF復合膜，以質量百分比計，含有聚偏氟乙烯92-98%，多面低聚倍半硅氧烷2-8%。

進一步優選地，本發明納米雜化PVDF復合膜，含有聚偏氟乙烯95-98%，多面低聚倍半硅氧烷2-5%，更優選含有聚偏氟乙烯97%，多面低聚倍半硅氧烷3%。

本發明納米雜化PVDF復合膜，其中所述多面低聚倍半硅氧烷（POSS）即為納米雜化加固物，優選為官能團基為氟化丙基的多面低聚倍半硅氧烷（FP-POSS），此處的“FP”代表官能團基為氟化丙基。該FP-POSS是高性能的納米雜化材料，為現有物質可通過購買途徑得到。

本發明還涉及制備上述復合膜的方法，包括以下步驟：

（1）將聚偏氟乙烯和多面低聚倍半硅氧烷按上述質量百分比例溶于有機溶劑中，配制成混合均勻的溶液；

（2）將該溶液在避光、室溫的條件下依次作攪拌、靜置、超聲脫泡處理，如此反復多次，以便形成更加均勻的溶液，待形成均勻的溶液后，須放入真空攪拌機中，避光室溫攪拌1-1.5個小時，消除氣泡；

（3）將第（2）步制備好的溶液引流倒入培養皿中，靜置8-12分鐘，放入恒溫干燥箱中烘干，即得質地均勻的PVDF基納米復合薄膜。

本發明制備納米雜化PVDF復合膜的方法，其中優選所述步驟（1）中有機溶劑為N,N-二甲基甲酰胺（DMF），混合溶液的質量百分比濃度為20%。