[发明专利]一种聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚偏氟乙烯压电膜的制备方法，属于新材料的制备技术领域。

背景技术

聚偏氟乙烯( PVDF) 是一种由层状晶体和无定形区组成的半结晶高聚物,在不同条件下可结晶成α、β、γ和δ四种晶相，其中只有强极性的β相具有压电性能。提高PVDF膜中β相的比例并使其取向排布就成为提高聚偏氟乙烯压电膜在声电转换及其在环境中能量的捕获等机电转换效率的关键。目前聚偏氟乙烯压电膜是采用先制备聚偏氟乙烯膜，再经过晶型的转变工艺制备得到。聚偏氟乙烯的成膜可以是聚偏氟乙烯溶液的流延成膜或聚偏氟乙烯的热压成膜，而晶型的转变工艺是单轴热拉伸或在高温环境下电场极化，对制备条件和设备要求比较苛刻或易产生缺陷，不能达到高的β晶相转化以及β晶相的有序取向排布，因而影响聚偏氟乙烯压电膜的压电性能，同时成膜与β晶相转化工艺分开进行，工序复杂。目前，具有对制备条件与设备要求较低，能实现PVDF的高β晶相转化以及β晶相的有序取向排布同步进行的聚偏氟乙烯压电膜的制备方法还没有见报道。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于克服现有聚偏氟乙烯压电膜的制备技术中对制备条件和设备要求比较苛刻或易产生缺陷，不能达到高的β晶相转变以及β晶相的有序取向排布，成膜与晶相转化工艺分开进行，工序复杂的缺点，提供一种操作简单，对制备条件与设备要求较低，实现PVDF的高β晶相转化以及β晶相的有序取向排布同步进行的聚偏氟乙烯压电膜的制备方法，所制备的聚偏氟乙烯压电膜具有较高的压电常数与能量转换系数。

为实现上述目的：本发明的技术解决方案是：

一种聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜，所述聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜是以等长度的聚偏氟乙烯纤维取向紧密排列而形成的阵列膜，聚偏氟乙烯纤维的直径为30nm-500nm，阵列膜的厚度为50μm-1000μm，阵列膜大于或等于0.3cm²。

一种聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜的制备方法，包括聚偏氟乙烯溶液的配制及聚偏氟乙烯溶液的静电纺制备取向纤维束，所述制备方法是指将由聚偏氟乙烯溶液静电纺得到的聚偏氟乙烯取向纤维束，按相同的纤维牵伸方向填入预制模具槽中，在室温条件，经1MPa-10MPa压力作用1-3小时，压制成致密的聚偏氟乙烯取向纤维束棒，再将聚偏氟乙烯取向纤维束棒按厚度为50μm-1000μm切片，获得厚度为50μm-1000μm，面积大于或等于0.3cm²的聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜。

由于采用了以上技术方案，本发明聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜中聚偏氟乙烯纤维的直径大小具有方便的控制特性，通过调节静电喷纺工艺中PVDF溶液的推出速度、静电纺电压、静电纺喷头与收集轮之间的距离，PVDF溶液的浓度，都可以实现纤维直径大小的控制；聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜的面积与形状可通过调节预制模具槽横截面面积与横截面形状来调控；聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜的厚度可以通过聚偏氟乙烯取向纤维束的切片厚度来控制。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。

聚偏氟乙烯压电膜的制备，按以下步骤：

a 聚偏氟乙烯溶液的配制

将聚偏氟乙烯粉体溶入溶剂中，室温搅拌3小时-8小时，获得的浓度百分比为3wt%-20wt%的均匀的溶液，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺或二甲基亚砜中任意一种。

b聚偏氟乙烯取向纤维的制备

将经步骤a获得的聚偏氟乙烯溶液吸入静电纺用的纺丝液管中，并在纺丝液管的纺丝头上接入5kV-40kV的电压，在纺丝液管中的聚偏氟乙烯溶液推出速度为0.1ml/小时-5ml/小时，以旋转轮盘的边缘为纤维收集极，旋转轮盘的边缘与纺丝头之间的距离为5cm-20cm，轮盘的直径为10cm-20cm，旋转轮盘的旋转速度为200转/min-2000转/min，在轮盘的边缘获得聚偏氟乙烯取向纤维束，聚偏氟乙烯纤维的直径为30nm-500nm。

c 聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜的制备

经步骤b得到的聚偏氟乙烯取向纤维束，按相同的纤维牵伸方向填入预制模具槽中，在室温条件，经1MPa-10MPa压力作用1-3小时，压制成致密的聚偏氟乙烯取向纤维束棒，再将聚偏氟乙烯取向纤维束棒按厚度为50μm-1000μm切片，获得厚度为50μm-1000μm，面积大于或等于0.3cm²的聚偏氟乙烯纤维阵列压电膜。