[发明专利]一种用静电纺丝技术制备压电PVDF包覆碳纤维的方法

说明书

本发明公开了一种用静电纺丝技术制备压电PVDF包覆碳纤维的方法，首先将聚偏氟乙烯(PVDF)和N，N‑二甲基甲酰胺(DMF)混合配制纺丝溶液；其次利用静电纺丝技术将聚偏氟乙烯(PVDF)包覆在碳纤维表面，制备碳纤维‑PVDF压电包芯纱。本发明以碳纤维作为芯纱，由于其具有良好的导电性，可将PVDF产生的压电信号导出，另外静电纺丝技术设备简单、成本低廉、操作简单，且静电纺工序本身具有极化的作用，省去了后续极化步骤，利用静电纺丝技术制备的碳纤维‑PVDF压电包芯纱，可以更便捷的将其应用于压电织物中。

技术领域

本发明涉及一种用静电纺丝技术制备压电PVDF包覆碳纤维的方法，属于柔性压电材料领域。

背景技术

压电纤维是一种机械能和电能互相转化的功能性材料，压电材料是指由于静压力的变化产生相应感应电荷的变化的材料。目前研究的压电材料大多是膜状或块状，压电纤维作为一种特殊的压电材料形式应用越来越广泛。聚偏氟乙烯(PVDF)作为一种压电材料，具有很强的压电效应，是目前在压电高分子材料中研究的较为系统、应用最广泛的高聚物。与目前常用的高聚物相比(如石英、压电陶瓷类)它还有声阻抗小、频率响应宽、介电常数小、耐冲击性强、便于加工成任意形状等优点。

随着科学技术的不断发展，传统方法制备PVDF压电薄膜的技术已经十分成熟，由于静电纺丝技术具有操作简单，成本低等优点，故利用静电纺丝纺制PVDF压电薄膜是目前广泛推崇的手段。通过静电纺丝技术制备出具有压电性能的纱线，可以更便捷的将其应用于织物中，故本发明提供了一种通过静电纺丝技术制备压电PVDF包覆碳纤维的方法。由于碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料，其具有良好的导电性能，故可作为芯纱，通过静电纺丝技术与压电PVDF结合制备包芯纱。

发明内容

本发明利用碳纤维良好的导电性，能将PVDF产生的压电信号导出，同时静电纺丝技术设备简单、成本低廉、操作简单。基于上述条件，本发明提供一种用静电纺丝技术制备压电PVDF包覆碳纤维的方法，具体包括以下步骤：

1)将反应容器和磁子用去离子水清洗后烘干，将作为纺丝液溶质的聚偏氟乙烯(PVDF)和溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)在反应容器中混合，向混合溶液中放入磁子对混合溶液进行密封处理，将密封的反应容器置于水浴锅中缓慢加热，利用磁子搅拌装置进行搅拌，然后静置冷却，得到纺丝液；

2)用注射器抽取步骤1)中得到的纺丝液，将注射器固定于注射泵中，调节静电纺丝参数，将喷丝头分别接高伏电压正负极，溶液在电场力的作用下在喷丝头的泰勒锥顶点被加速，最终通过足够大的电场力克服表面张力喷射细流，细流在喇叭口处形成纤维网。同时碳纤维通过喇叭口后，从PVDF纤维网中被卷绕辊拉出，从而使压电PVDF通过旋转的喇叭口均匀地包覆在碳纤维上并最终被卷绕辊收集，得到以碳纤维为芯纱，压电PVDF包覆的包芯纱；

3)将步骤2)中所制备的包芯纱放入烘箱中烘干，最终得到碳纤维-PVDF压电包芯纱。

进一步的，水浴锅温度60℃～80℃，磁子搅拌时间4h～5h，纺丝液中PVDF的浓度为8％～12％。

进一步的，静电纺丝参数如下：纺丝液挤出速度为0.3ml/h～0.7ml/h，纺丝距离为6cm～10cm，双针头距离为10cm～15cm，纺丝电压为4KV～5KV，卷绕辊的转速为0.02mm/s～0.2mm/s，喇叭口的转速为300rpm～800rpm，静电纺丝环境温度为20±2℃，相对湿度为60±5％。

进一步的，烘干温度为80℃～100℃，烘干时间为2h～5h。

本发明是一种用静电纺丝技术制备压电PVDF包覆碳纤维的方法，具有以下有益效果：

(1)此方法采用的静电纺丝技术设备简单、成本低廉、操作简单，且静电纺工序本身具有极化的作用，省去了后续极化步骤。