[发明专利]一种PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜和该薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜和该薄膜的制备方法。

背景技术

聚偏二氟乙烯（PVDF）相对于压电陶瓷而言，虽然压电常数相对较低，但是有柔软性优良，无毒，可回收，耐酸腐蚀等优点，因而受到广泛关注，是潜在的可大规模应用的压电高分子材料。

PVDF是一种半晶体高分子材料，其晶体结构至少存在4种形态，即α，β，γ，δ。 其中，α结构（单斜晶系）是最常见的结晶形态，β结构是最重要的结晶形态，因为材料中β相的含量和偶极子的方向决定了材料的压电性能。为了获得含β相较高的高分子材料，添加纳米颗粒和对合成的薄膜进行拉伸和极化处理都是较常用的手段。

目前较常见的纳米颗粒有碳纳米管（CNT）, 碳纳米纤维（CNF），石墨烯（graphene），炭黑（CB）等，这些纳米颗粒的拉伸比例从2~5倍，极化电场强度一般从20~150 MV/m。对于含有导电粒子的复合材料薄膜，一般极化电场要小一些，因为随着导电颗粒含量的增加，会增加复合材料薄膜的电导率，使得薄膜容易被击穿。

现有的制作聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜步骤如下：

1、将纳米颗粒与溶剂混合搅拌制成悬浊液，再加入PVDF经搅拌制得PVDF溶液，使混合物充分混合；

2、将PVDF溶液的溶剂挥发进行结晶，获得PVDF薄膜，该PVDF薄膜主要为α相结构；

3、对α相的PVDF薄膜进行拉伸，得到含有较高含量β相的PVDF薄膜；

4、β相PVDF薄膜进行电场极化，获得成品。该步骤使所有的偶极子朝一个方向，获得具有压电性能的PVDF薄膜。

由于聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）的结晶度比较低，压电性能比PVDF要低，人们习惯于使用PVDF制作压电薄膜，阻碍了PVDF-HFP材料在压电技术领域的研究应用。目前，还没有关于聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）共聚物压电薄膜及其制作方法的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜，它的压电性能指标比纯PVDF-HFP明显增加。本发明还提供一种PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜的制备方法。

要解决上述技术问题，本发明提供的PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜，它包括PVDF-HFP和炭黑颗粒，PVDF-HFP基体中添加质量百分比为0.05 % ~0.8 %的炭黑颗粒。

优选地，炭黑颗粒的质量百分比为0.5 %。

经试验测定，PVDF-HFP基体中添加少量的炭黑所得的PVDF-HFP/CB压电复合材料的压电性能指标比纯PVDF-HFP有明显增加。尤其是CB质量百分比为0.5 %时，标准开环电压比纯PVDF-HFP时增加了1倍左右，交流输出功率提高了3.6倍，直流输出功率提高了4.6倍。本方法由于实验原理简单，对实验条件的控制要求也不高，使用通用设备即可，不需专门设备，另外炭黑的成本较其他纳米颗粒（如CNT，graphene）等要低得多，所以对于大量制造高性能压电薄膜材料具有重大的意义。

本发明提供的一种PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1、将炭黑颗粒与溶剂混合搅拌制成悬浊液，再加入PVDF-HFP经搅拌制得PVDF-HFP溶液，使混合物充分混合；

2、将步骤1所制得的混合溶液在行星搅拌器中再搅拌10分钟以上，脱泡2分钟以上；

3、将步骤2所制得的溶液倒在热铝板上，加热，将溶剂去除，得到初结晶后的薄膜；

4、在万能试验机中将步骤3所制得的薄膜在55℃~65℃左右进行拉伸；

5、对步骤4制得的薄膜进行分步极化。

在步骤1中，将炭黑颗粒添加到N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，在超声波下搅拌15分钟以上，制得炭黑颗粒的DMF悬浊液；按照PVDF-HFP：DMF=1：3的质量比，向DMF中添加PVDF-HFP在行星搅拌器中搅拌10分钟以上，然后在超声波中搅拌15分钟以上。

在步骤5中，分步极化的电场强度从20 MV/m ~90 MV/m，步升10 MV/m。

为了测试PVDF-HFP/CB压电复合材料薄膜的电性能，将极化后的薄膜剪成宽2.5cm、长3cm的薄膜（长是沿拉伸方向），并用环氧树脂粘在铝板上。在薄膜两端接上导线，测试薄膜的压电特性。