[发明专利]包含电纺的聚[(R)-3-羟基丁酸酯-共-(R)-3-羟基己酸酯](PHBHX)纳米纤维的压电传感器

说明书

本文公开了一种包括基于PHA的共聚物层的装置，所述基于PHA的共聚物层包含基于聚羟基链烷酸酯的共聚物的电纺的纤维带或通过权利要求1的方法获得的极化聚合物组合物中的至少一种，其中所述层被构造成表现出压电效应、热电效应和铁电效应中的一种或多种，其中所述电纺的纤维带和所述极化聚合物组合物各自包含以约10％至约99％的量存在的β‑型的所述基于PHA的共聚物，如由x射线衍射所测量。所述装置可以被构造成用作传感器、致动器、纳米发动机或生物电池。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月21日提交的第62/734,360号美国临时专利申请的优先权，为了所有目的将其全部公开内容通过引用并入本文。

关于联邦赞助研究的声明

本发明在由Delaware NSF EPSCoR授予的批准号1301765和由National ScienceFoundation通过DMR Polymers项目授予的批准号1407255的政府支持下进行。政府享有本发明的一些权利。

发明背景

压电性(衍生自希腊语的表示压力电的术语)描述了一些材料在受到机械应力时产生电荷的能力(直接压电效应)，或者在置于电场中时膨胀或收缩的能力(间接/逆压电效应)。压电效应被认为是缺少反演对称性的材料中的机械状态与电状态之间的机电相互作用。压电效应的性质与固体中电偶极矩的存在密切相关，该偶极矩可以在具有不对称电荷环境的晶格位置处对离子进行诱导，或者直接由分子基团携带。当经受机械变形时，由于偶极矩的变化，压电材料将在表面之间表现出电势差。该电势差或电压使得在电路(电流)周围驱动电荷，从而产生电力。在所有压电材料中，压电聚合物由于它们的结构和尺寸柔性、重量轻、易于加工、大的敏感区域和相对低的成本实施，在过去的二十年中引起了特别的关注。

聚羟基链烷酸酯(PHA)是一类由多种细菌作为细胞内碳和能量储存材料合成的可生物降解和生物相容的脂肪族聚酯。它们由于其有前景的环境、电、药物和生物医学应用而引起了科学关注。在PHA中，聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)均聚物是最常见的类型，并且在过去的30年中已经被广泛研究。然而，由于接近完美的立构规整性，细菌产生的PHB具有非常高的结晶度(60％)和在其热分解温度附近的熔融温度范围(约180℃)。材料的难加工热性质以及刚性和脆性的限制是大多数标准应用的主要障碍。尝试与其它小单体单元(例如3-羟基戊酸酯(3HV))共聚，在改善性能方面具有相对较小的成功。这种出人意料的结果是由于3HB和3HV单元是同二晶的，其中3HV单元结合到PHB晶格中。近来，为了显著增强PHB的性能，将少量具有较长侧链的羟基链烷酸单体(例如3-羟基己酸酯(3HHx))与3HB单元共聚，以避免同二晶现象并降低所得共聚物的刚性和脆性。这些中链长度(mcl)支链充当分子缺陷，破坏聚合物链的过度规整性，并因此降低结晶度和熔点(Tm)。所得无规共聚物聚[(R)-3-羟基丁酸酯-共-(R)-3-羟基己酸酯](PHBHx)随着3HHx含量增加而变得柔软和柔韧，并导致类似于线性低密度聚乙烯(LLDPE)的性质。PHBHx的许多性质，包括化学、热和机械性质，可以通过改变共聚单体含量来调节。