[发明专利]一种同轴静电纺丝聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增强纤维薄膜压电性能的方法

说明书

一种同轴静电纺丝聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增强纤维薄膜压电性能的方法。聚偏氟乙烯/聚丙烯腈同轴复合材料纤维薄膜是以聚偏氟乙烯为芯部，以聚丙烯腈为壳层，采用同轴静电纺丝方法构建成具有芯壳结构微观结构的复合纤维薄膜。本发明使用15wt％‑20wt％的聚丙烯腈溶液、10wt％‑15wt％的聚偏氟乙烯溶液同轴静电纺丝，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈芯部与外壳之间存在相互作用，对聚偏氟乙烯具有束缚作用，同轴纺丝的芯/壳结构会促使聚偏氟乙烯的相结构转变，得到更多具有压电性能的β相结构；β相结构聚偏氟乙烯压电常数高，压电性能好；所制备的复合纤维薄膜具有更光滑的表面形貌，具有良好的柔韧性，可作为制备柔性传感器的良好材料。

技术领域

本发明涉及一种同轴静电纺丝聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增强纤维薄膜压电性能的方法，属于新材料的制备技术领域。

背景技术

聚偏氟乙烯(PVDF)是一种半结晶性热塑性聚合物，具有良好的压电、热电、介电等性能，其压电性能好、灵敏度高以及价格低廉，可以制备成纤维薄膜，用于柔性传感器的芯料，以此来制备柔性传感器来代替传统压电陶瓷(PZT)传感器的使用，满足了PZT在使用过程中的不足。PVDF具有压电性能的原因是其晶型结构决定的，研究表明提高其β相含量成为增强其压电性的关键之处。为此已有研究者向PVDF聚合物溶液中添加纳米颗粒，碳纳米管(CNT)、石墨烯(Graphene)，来提高PVDF的β相含量和结晶度。

聚丙烯腈(PAN)是一种成型性较好的聚合物，具有很高的熔点，刚性大和良好的耐溶剂性等特殊的物理性能；其结构特点是带有极性腈基，且平面铅齿构象的结构使得PAN具有介电性和压电性能，因此被广泛用于制备纺织品、薄膜、碳纤维前驱体等而成为研究的热点。

传统的压电陶瓷传感器已经不能满足当代使用的需求，在新兴领域中对压电性能要更多的要求。。聚合物压电纤维已经成为柔性传感器的主要研究方面，因此众多研究学者为提高聚合物压电材料的压电性能做了很多研究。静电纺丝技术相比之前工序繁琐的方法更为简单快捷，制备的纤维薄膜性能更优异。使用静电纺丝技术制备高压电性能的纤维膜探索中，有人提出在PVDF溶液中添加一种添加剂(如碳纳米管、钛酸钡、TiO₂等)来提高纤维薄膜的压电性能。或者使用机械混合或者化学合成的方法将两种添加剂混合在一起进行静电纺丝制备压电纤维薄膜。这样的制备方式过程复杂，虽然可能提高纤维丝中的β相的含量，但其过程复杂，制备成本高，所制备的纤维薄膜缺陷较多，结晶不均匀。为此需要找到一个成本低廉且制作方式简单的方法来提高PVDF复合纤维薄膜压电性能的方法。

发明内容

本发明目的是提供一种同轴静电纺丝聚偏氟乙烯/聚丙烯腈增强纤维薄膜压电性能的方法。

本发明使用两种简单的有机聚合物溶液静电纺丝聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)进行同轴静电纺丝，通过二者的相互束缚作用得到高压电性能的复合纤维薄膜。所得到的压电纤维薄膜结晶性好和β相含量较高，具有较高的压电应变常数D₃₃。

本发明通过以下技术方案实现：

同轴静电纺丝聚偏氟乙烯/聚丙烯腈(PVDF/PAN)增强纤维薄膜压电性能的方法，按以下步骤：

(1)芯部结构用聚偏氟乙烯(PVDF)溶液的配备：

称取一定质量的PVDF粉末，放置锥形瓶内；溶液采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮(体积比为1:1-3:2)作为混合溶剂，添加丙酮可以提高溶液的挥发性，随后将粉末与溶液相混合，制备10wt％-15wt％的PVDF溶液，采用磁力搅拌器磁力搅拌3-5h，静置24小时后备用；

(2)壳层结构用聚丙烯腈(PAN)溶液的配备：

称取一定质量的PAN粉末，放置锥形瓶内；溶液采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，随后将粉末与溶液相混合，制备15wt％-20wt％的PAN溶液，采用磁力搅拌器磁力搅拌2-5h，静置24小时后备用；