[发明专利]一种聚偏氟乙烯/碳纳米管复合纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种利用静电纺丝装置制备导电率高、柔韧性好的可用于纳米电子器件和力学器件的纳米纤维的方法，特别是一种聚偏氟乙烯/碳纳米管(PVDF/CNTs)复合纳米纤维的制备方法。

背景技术：

通常，一维纳米结构比传统薄膜结构具有更大的比表面积，在传感器等电子和光电器件方面应用前景广阔。纳米线和纳米纤维的制备方法有很多种，例如化学气相沉积、模板法、化学自组装法和静电纺丝技术等。静电纺丝是一种简便易行、可直接从聚合物及复合材料制备连续纤维、可以发展成大规模工业化生产的方法，具有许多突出的优点：设备和实验成本较低，纤维产率较高，制备出的纤维比表面积较大（纤维直径在几个纳米到几个微米的范围内），并且适用于许多不同种类的材料，其原理和设备非常简单：高压电源提供高压，正极接在纺丝液容器的纺丝喷头上，负极（接地）接在收集板上，由于高压电场的作用，纺丝溶液在纺丝喷头处形成“泰勒锥”；当电场力克服表面张力后，“泰勒锥”变成带电射流，朝收集板的方向快速移动，在高压电场中，射流被拉伸细化或发生劈裂，同时溶剂快速挥发，在收集板上就得到了纳米纤维。中国专利（申请号：201010273944.8）公开了一种静电纺丝制备稀土铕有机配合物/聚苯乙烯复合荧光微纳米纤维的方法。聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)是一类广泛应用的高分子材料，根据处理条件不同，可以得到多种不同的结晶相，其中α相具有优异的力学性能，β相具有较强的压电、介电、热电性能；此外，PVDF还具有原料便宜、耐化学腐蚀性、耐氧化性、耐磨性、柔韧性好等优点，已经在石油化工、电子电气、氟碳涂料等领域得到了广泛的应用。但是PVDF自身也存在许多不足，例如导电性很差、柔韧性有待进一步提高等，这会限制该材料在某些领域的应用。碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)除具有一般纳米粒子的尺寸效应外，还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质，成为聚合物复合材料理想的增强体，使聚合物复合材料在力学、电学、光学等方面表现出更优异的性能。例如：在单电子存储器（中国专利申请号：02120847.6）、场发射显示装置（中国专利申请号：00121140.4）、白光源（中国专利申请号：00107813.5）、生物传感器（中国专利申请号：200580050014.3）、塑料/陶瓷基骨修复（中国专利申请号：02117632.9）等方面都有广阔的应用前景。关于聚偏氟乙烯/碳纳米管(PVDF/CNTs)复合材料，目前国内外已有文献报道(例如，Nano Lett.4(2004)1267;Macromol.Mater.Eng.293(2008)123;J.Appl.Polym.Sci.115(2010)3238;Polym.Compos.31(2010)921等)，一般采用超声波分散法、溶剂蒸发成膜法、溶液浇铸法等制备，实验结果表明碳纳米管可较显著地提高PVDF/CNTs复合材料的导电性、介电性能、热稳定性等。但是公开报道的PVDF/CNTs复合材料都是薄膜结构，纳米纤维结构的鲜有报道，特别是利用静电纺丝法制备PVDF/CNTs复合纳米纤维目前尚未见有报道。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，利用静电纺丝方法制备聚偏氟乙烯/碳纳米管PVDF/CNTs复合纳米纤维，以PVDF为基体，多壁碳纳米管CNTs作为复合材料增强体，利用静电纺丝法制备出力学强度大、柔韧性好、电导率高等具有独特性能的复合纳米纤维，该复合纳米纤维既可收集成纤维薄膜结构，也可加工成微纳米纤维绳索结构，在纳米电子/光电器件、微机电系统和人工肌肉等方面有着广泛的潜在应用。

为了实现上述目的，本发明先将多壁碳纳米管均匀分散在PVDF溶液中，作为静电纺丝的前驱体溶液；再利用静电纺丝法制备PVDF/CNTs复合纳米纤维，通过控制前驱体溶液浓度、纺丝电压和纺丝距离的纺丝条件，得到比表面积大的PVDF/CNTs复合纳米纤维；具体包括前躯体溶液配制、复合纳米纤维制备和复合纳米纤维性能测试三个工艺步骤：