[发明专利]一种具有β晶相的聚偏氟乙烯纳米薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热释电薄膜材料领域和太赫兹探测领域，涉及功能纳米薄膜制备方法，具体为一种具有β晶相的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米薄膜的制备方法。

背景技术

聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好的压电性、热释电性和铁电性。使其作为薄膜功能材料在传感器，换能器，生物医学等领域中得到了广泛的应用。

PVDF具有多种晶体结构，目前已知的5种结构分别是α，β，γ，δ和ε型。其中α晶相为TGTG^-1结构，偶极正负电荷中心重合自发极化强度为零，不具有压电性能。β晶相为全反式型，具有较高的自发极化强度，是PVDF中的重要晶相结构。但是α晶相是PVDF5种晶相中能量最低最稳定的结构，一般情况下，PVDF从溶液中或者熔融状态下结晶都只能得到α晶相，因此制备具有高β晶相的PVDF薄膜是目前研究的重点问题。

目前，通过机械拉伸可以得到具有β晶相的PVDF薄膜，文献：A.SalimietcFTIRstudiesofβ-phasecrystalformationinstretchedPVDFfilms,2003,22:699–704A.Salimi中公开了通过机械拉伸制备了PVDF膜，制备得到的PVDF膜β晶相含量不高，制备的膜较厚，并且不能准确地将薄膜制备到所需的衬底上。静电纺丝工艺也是制备PVDF薄膜的常见方法之一，文献：YongjinAhnetcEnhancedPiezoelectricPropertiesofElectrospunPoly(vinylidenefluoride)/MultiwalledCarbonNanotubeCompositesDuetoHighβ-PhaseFormationinPoly(vinylidenefluoride),2013,117:11791-11799中公开采用静电纺丝的方法制备PVDF薄膜；但是其设备要求高，制备过程繁琐，不适合大规模的生产。近几年掺杂纳米颗粒(例如二氧化钛，石墨烯，碳纳米管等)引起了人们的广泛关注；文献：WCGanetcEffectofTiO₂onenhancedpyroelectricactivityofPVDFcomposite,2014,23WCGan中公开了通过掺杂二氧化钛制备PVDF薄膜，但是其制备的PVDF薄膜中β晶相含量不大，主要是生成了δ晶相，而δ晶相的极化强度只有β晶相的一半；而文献：YuJetcGraphenenanocompositesbasedonpoly(vinylidenefluoride)structureandproperties,2011,32:1483–1491中公开采用在PVDF中加入少量石墨烯制备PVDF薄膜，但是在这种制备方法中，由于石墨烯在溶剂中的分散性很差，必须通过添加分散剂或者对其进行表面改性才能很好的分散在PVDF中；进一步的，文献：M.ElAchabyetcPiezoelectricβ-polymorphformationandpropertiesenhancementingrapheneoxide–PVDFnanocompositefilms，2012,258:7668-7677中公开利用掺杂氧化石墨烯和流延法制备PVDF薄膜，该方法可以克服其他纳米材料不能很好分散在PVDF中的困难，但是采用流延法制备的薄膜其膜厚一般在微米量级。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种具有β晶相的聚偏氟乙烯纳米薄膜的制备方法；该制备方法工艺简单，采用氧化石墨烯(GO)作为掺杂物，通过旋涂工艺制备具有高β晶相含量的PVDF纳米薄膜，并且GO作为成核剂能够提高PVDF的结晶速率，减小PVDF的球晶尺寸。

本发明的技术方案为：一种具有β晶相的聚偏氟乙烯纳米薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.将氧化石墨烯和聚偏氟乙烯溶于有机溶剂中，超声并磁力搅拌得到分散均匀的制膜溶液，其中氧化石墨烯、聚偏氟乙烯及有机溶剂的质量百分比组成为：

氧化石墨烯：0.1-1wt％，

聚偏氟乙烯：5-10wt％，

有机溶剂：89-94wt％；

步骤2.将制膜溶液静置脱泡；

步骤3.采用旋涂法制备湿膜；

步骤4.在大气环境下热处理使薄膜干燥并结晶，即制备得具有β晶相的聚偏氟乙烯纳米薄膜。

优选的，所选有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

所述步骤1制备制膜溶液时，超声和磁力搅拌的过程中温度为27-60℃，超声时间为1～3小时，搅拌时间为1～4小时。