[發明專利]一種同軸靜電紡絲聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增強纖維薄膜壓電性能的方法

在審

• 申請號: 202010165551.9
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111321520A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 馬敘;李巖;丁燕紅
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: D04H1/728
• 分類號: D04H1/728;D04H3/03;D01D5/00
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

一種同軸靜電紡絲聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增強纖維薄膜壓電性能的方法。聚偏氟乙烯/聚丙烯腈同軸復合材料纖維薄膜是以聚偏氟乙烯為芯部，以聚丙烯腈為殼層，采用同軸靜電紡絲方法構建成具有芯殼結構微觀結構的復合纖維薄膜。本發明使用15wt％?20wt％的聚丙烯腈溶液、10wt％?15wt％的聚偏氟乙烯溶液同軸靜電紡絲，聚偏氟乙烯與聚丙烯腈芯部與外殼之間存在相互作用，對聚偏氟乙烯具有束縛作用，同軸紡絲的芯/殼結構會促使聚偏氟乙烯的相結構轉變，得到更多具有壓電性能的β相結構；β相結構聚偏氟乙烯壓電常數高，壓電性能好；所制備的復合纖維薄膜具有更光滑的表面形貌，具有良好的柔韌性，可作為制備柔性傳感器的良好材料。

技術領域

本發明涉及一種同軸靜電紡絲聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增強纖維薄膜壓電性能的方法，屬于新材料的制備技術領域。

背景技術

聚偏氟乙烯(PVDF)是一種半結晶性熱塑性聚合物，具有良好的壓電、熱電、介電等性能，其壓電性能好、靈敏度高以及價格低廉，可以制備成纖維薄膜，用于柔性傳感器的芯料，以此來制備柔性傳感器來代替傳統壓電陶瓷(PZT)傳感器的使用，滿足了PZT在使用過程中的不足。PVDF具有壓電性能的原因是其晶型結構決定的，研究表明提高其β相含量成為增強其壓電性的關鍵之處。為此已有研究者向PVDF聚合物溶液中添加納米顆粒，碳納米管(CNT)、石墨烯(Graphene)，來提高PVDF的β相含量和結晶度。

聚丙烯腈(PAN)是一種成型性較好的聚合物，具有很高的熔點，剛性大和良好的耐溶劑性等特殊的物理性能；其結構特點是帶有極性腈基，且平面鉛齒構象的結構使得PAN具有介電性和壓電性能，因此被廣泛用于制備紡織品、薄膜、碳纖維前驅體等而成為研究的熱點。

傳統的壓電陶瓷傳感器已經不能滿足當代使用的需求，在新興領域中對壓電性能要更多的要求。。聚合物壓電纖維已經成為柔性傳感器的主要研究方面，因此眾多研究學者為提高聚合物壓電材料的壓電性能做了很多研究。靜電紡絲技術相比之前工序繁瑣的方法更為簡單快捷，制備的纖維薄膜性能更優異。使用靜電紡絲技術制備高壓電性能的纖維膜探索中，有人提出在PVDF溶液中添加一種添加劑(如碳納米管、鈦酸鋇、TiO₂等)來提高纖維薄膜的壓電性能。或者使用機械混合或者化學合成的方法將兩種添加劑混合在一起進行靜電紡絲制備壓電纖維薄膜。這樣的制備方式過程復雜，雖然可能提高纖維絲中的β相的含量，但其過程復雜，制備成本高，所制備的纖維薄膜缺陷較多，結晶不均勻。為此需要找到一個成本低廉且制作方式簡單的方法來提高PVDF復合纖維薄膜壓電性能的方法。

發明內容

本發明目的是提供一種同軸靜電紡絲聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增強纖維薄膜壓電性能的方法。

本發明使用兩種簡單的有機聚合物溶液靜電紡絲聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)進行同軸靜電紡絲，通過二者的相互束縛作用得到高壓電性能的復合纖維薄膜。所得到的壓電纖維薄膜結晶性好和β相含量較高，具有較高的壓電應變常數D₃₃。

本發明通過以下技術方案實現：

同軸靜電紡絲聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)增強纖維薄膜壓電性能的方法，按以下步驟：

(1)芯部結構用聚偏氟乙烯(PVDF)溶液的配備：

稱取一定質量的PVDF粉末，放置錐形瓶內；溶液采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮(體積比為1:1-3:2)作為混合溶劑，添加丙酮可以提高溶液的揮發性，隨后將粉末與溶液相混合，制備10wt％-15wt％的PVDF溶液，采用磁力攪拌器磁力攪拌3-5h，靜置24小時后備用；

(2)殼層結構用聚丙烯腈(PAN)溶液的配備：

稱取一定質量的PAN粉末，放置錐形瓶內；溶液采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作為溶劑，隨后將粉末與溶液相混合，制備15wt％-20wt％的PAN溶液，采用磁力攪拌器磁力攪拌2-5h，靜置24小時后備用；