[发明专利]一种基于PVDF/DAST复合纤维材料的柔性压电发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于PVDF/DAST复合纤维材料的柔性压电发电机及其制备方法，属于压电能量转换领域，包括中间压电层，所述中间压电层为PVDF/DAST复合纤维中间层，所述PVDF/DAST复合纤维中间层中DAST占PVDF和DAST总质量的1～80wt％。本发明将PVDF与DAST通过静电纺丝相复合，制备出兼有优良柔韧性、优良的极化效果和压电性能的一维的PVDF/DAST柔性复合材料；通过在该PVDF/DAST柔性纤维材料的上表面及下表面分别制备一层导电层并引出导线，并在上表面及下表面分别再包裹一层聚合物保护层，由此制备得到基PVDF/DAST复合纤维材料的柔性压电发电机，在生物、光电、可再生能源以及可穿戴设备等领域有广阔应用。

技术领域

本发明属于压电能量转换领域，尤其涉及一种基于PVDF/DAST复合纤维材料的柔性压电发电机及其制备方法。

背景技术

目前，全球人口的不断增长以及工业的快速发展，引起了化石燃料的过度消耗和气候的急剧恶化，使得可将环境中微小的机械能转换为电能的压电发电机受到了广泛的关注。压电发电机的性能主要是由两个电极之间的压电材料决定的。传统的无机压电材料如钛酸钡、钛酸铅和氮化镓等，由于存在机械品质因子低、电损耗大、柔性差、生物兼容性差，并且含有有害重金属等问题，不利于用来制备可穿戴柔性压电发电机。

作为一种应用广泛的柔性有机压电材料，聚偏氟乙烯(PVDF)通过强极性F原子改变聚乙烯的结构对称性，不仅展现出优良的压电特性，而且具有重量轻、柔韧性好等优点。然而，PVDF材料存在压电系数小、输出信号低等缺陷，这极大地限制了它的实际应用。为了提升PVDF的压电输出性能，许多有效的方法已经被提出。Shi等人采用静电纺丝法制备了钛酸钡和PVDF的复合纤维材料，使得压电输出得到了较大地提升(参见K.M.Shi,B.Sun,X.Y.Huang and P.K.Jiang,Nano Energy,2018,52,153-162.文献)。然而，由于钛酸钡为无机物，PVDF为有机物，两者之间的兼容性差，降低了这种复合材料的机械柔性。此外，Karan等人通过掺杂高导电性的铁离子和氧化还原石墨烯，诱使PVDF基体中β相的比例增加，在一定程度上改善了PVDF的压电输出性能(参见S.K.Karan,D.Mandal and B.B.Khutua,Nanoscale,2015,7,10655-10666.文献)。尽管如此，这种方法对性能的提升效果有限，PVDF依然存在压电输出低等问题。

特别地，4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐(DAST)作为新型有机压电材料(参见许向东，谷雨，李欣荣，成晓梦，蒋亚东，连宇翔，王福，梁倩，周华新，“DAST有机单晶压电材料及其制备方法”，中国发明专利，2017年1月24日申报，专利申请号201710053780.X)，不仅具有高的压电响应，而且制备工艺简单、成本低廉。而且，DAST是一种绿色的有机压电材料。然而，由单纯的DAST粉末配制的溶液黏度低，难以独立成膜。为此，许向东等人采用旋涂、喷涂等方法制备出基于DAST的柔性两维复合压电薄膜，改善了DAST的力学性能(参见许向东，李欣荣，谷雨，成晓梦，连宇翔，蒋亚东，王福，周华新，梁倩，“一种DAST柔性复合压电材料及其制备方法”，中国发明专利，2017年3月9日申报，专利申请号201710138736.9)。但是，由于该方法获得的复合薄膜的极化效果不理想，影响了所制备的两维复合薄膜的压电性能。而且，采用旋涂、喷涂等方法还难于直接制备出一维结构的复合材料。

综上所述，现有的柔性压电发电机存在着柔性较低、机械能转换成电能效率低、具有优良极化效果的高性能一维材料的制备难度大等问题，限制了其在实际中的应用。因此，本领域亟待开发一种制备工艺简单、绿色环保、机械柔性强、压电性能优良的柔性压电发电机。

发明内容