[发明专利]一种聚偏氟乙烯-六氟丙烯磁性多孔压电复合薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种聚偏氟乙烯‑六氟丙烯磁性多孔压电复合薄膜及其制备方法和应用。所述聚偏氟乙烯‑六氟丙烯磁性多孔压电复合薄膜原料包括聚偏氟乙烯‑六氟丙烯和四氧化三铁纳米颗粒，薄膜通过非溶剂致相分离方法制备得到，用表面改性剂改性Fe₃O₄纳米颗粒，强化其与PVDF‑HFP基体之间界面相互作用，使得Fe₃O₄纳米颗粒有效地均匀分布在PVDF‑HFP多孔网络结构内，不会在相分离过程中随着聚乙二醇（PEG）被水/甲醇提取而大量流失。本发明所得磁性多孔压电复合薄膜不仅可以在接触式条件下具有压电信号，也可以在非接触式条件下具有压电信号，并且薄膜柔软性好，在能量采集器、压力传感器和可穿戴电子器件等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种聚偏氟乙烯-六氟丙烯磁性多孔压电复合薄膜及其制备方法和应用，属于压电纳米发电机和可穿戴电子器件领域，在生物机械能收集、柔性智能传感材料等领域具有广泛的应用前景。

背景技术

当前，物联网和人工智能的快速发展，日益激发了对自供电便携式电子产品的需求，特别是在化石燃料能源紧缺且造成严重污染的背景下，可持续和清洁能源已成为商用便携设备的一种有前景的替代能源。因此，将环境中丰富的微机械运动(热、光、声、人体运动和磁场驱动等)转化为电能的智能设备受到广泛的研究和关注。其中，压电薄膜材料不仅具有体积小、结构简单的特点，同时也能将周围环境中微小的机械能转化为电能而为电子器件提供能量。得益于可以自供电、灵敏度高、轻质便携且易于制造，压电薄膜材料在能量收集、自供电传感、可植入生物医学器件、光催化等领域具有广泛的应用前景。此外，随着商用电子设备的小型化和便携化，压电薄膜材料的高灵活性、轻量化、易加工和集成化也成为了其发展趋势。因此，该领域在开发具有可调节、高灵敏度、轻量化和高效能的纳米发电机方面仍具有挑战。

一般来说，尽管常用的无机压电陶瓷具有优越的压电性能，但其较大的刚性限制了在柔性可穿戴领域的应用。相比之下，聚合物基压电材料具有显著的柔性，在可穿戴电子设备上具有很大的应用潜力。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物由于其优异的柔韧性、易加工性和生物相容性被认为是理想的柔性压电材料。近年来，PVDF的微结构设计成为柔性高效压电器件发展的热点。与平面压电薄膜相比，一些具有独特几何结构的薄膜，如微图形阵列、金字塔结构和多孔结构等表现出良好的应变效应。尤其是多孔结构可以赋予PVDF基压电纳米发电机或压电器件高度的柔韧性和可压缩性，通过优异的应变-电流效应提高压电输出性能。在PVDF中构建多孔结构的常见方法包括使用挥发性溶剂、模板法和一些物理发泡工艺，其中基于非溶剂致相分离具有操作简单、成本低等优势。此外，纳米填充材料在多孔聚合物材料中的分布和分散也对压电相晶体的有效成核起到重要作用。

现有的采用非溶剂致相分离技术在制备纳米填料填充多孔聚合物复合材料时，纳米填料可能随着相分离过程溶剂而大量流失，导致纳米填料很难有效分布到多孔基体中而发挥异相成核作用，同时刚性纳米填料的引入可能降低材料整体的柔性，不利于多孔复合材料作为压电材料的压电输出性能。现有制备压电材料技术涉及的基体材料通常采用均聚物聚偏氟乙烯，而很少考虑柔性更好的共聚物聚偏氟乙烯-六氟丙烯。此外，现有的聚偏氟乙烯压电材料仅仅具有接触式压电输出性能，即在与材料接触的应力作用下有压电响应，而很少具有非接触式压电输出特性。因此，需要通过可扩展的方法来精确控制纳米填料在聚偏氟乙烯基多孔结构中的分散与分布，在保证材料整体柔性的同时，显著提升复合薄膜材料的压电输出性能，同时赋予材料非接触式压电输出性能，从而制造多功能能量采集器和自供电传感器。

发明内容

本发明针对上述现有技术所存在的不足，提供一种聚偏氟乙烯-六氟丙烯磁性多孔压电复合薄膜及其制备方法和应用，该聚偏氟乙烯-六氟丙烯磁性多孔压电复合薄膜具有优异的柔性，纳米磁性填料均匀分布于多孔结构中，同时具有接触式和非接触式压电输出性能。

本发明上述的目的是通过以下技术方案予以实现的：