PVDF/石墨烯柔性压电材料及其柔性压电发电机的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，包括：步骤S1：将PVDF类聚合物溶解于有机溶剂中得到PVDF类聚合物溶液，并加入石墨烯分散液，得到均匀的石墨烯/PVDF类聚合物分散液；步骤S2：使PVDF/石墨烯分散液浸润一负载纤维材料，再将该负载纤维材料浸没在相分离剂中，并烘干，得到固化的PVDF/石墨烯压电材料。本发明专利技术还提供了利用该压电材料制备PVDF/石墨烯柔性压电发电机的方法。本发明专利技术利用相分离实现快速固化，利用石墨烯以及相分离同时促进极化作用，方法简便高效，提高了制得的PVDF/石墨烯柔性压电发电机压电性能。

PVDF/ graphene flexible piezoelectric material and its flexible piezoelectric generator

The present invention provides a preparation method of PVDF/graphene flexible piezoelectric material, which includes: (1) dissolving PVDF-type polymer into organic solvent to obtain PVDF-type polymer solution and adding graphene dispersion solution to obtain uniform graphene/PVDF-type polymer dispersion solution; The cured PVDF / graphene piezoelectric material was obtained by immersing the fiber material in the phase separator and drying. The invention also provides a method for preparing PVDF/ graphene flexible piezoelectric generator by using the piezoelectric material. The invention realizes rapid solidification by phase separation and promotes polarization by using graphene and phase separation. The method is simple and efficient, and the piezoelectric performance of the PVDF/graphene flexible piezoelectric generator is improved.

【技术实现步骤摘要】
PVDF/石墨烯柔性压电材料及其柔性压电发电机的制备方法
本专利技术涉及压电能量转换领域，具体涉及一种柔性压电发电材料及压电发电机的制备方法。
技术介绍
压电发电机是一种利用压电效应将机械能转化为电能的装置，而柔性压电发电机使得人体运动能量的收集成为可能。随着可穿戴设备的悄然兴起，越来越多的人构想利用柔性压电器件作为可穿戴设备的能量来源。普通的压电材料如钛酸铅、氧化锌等具有对人体有害的重金属或者具有刚性，难以制备出柔性器件。聚偏二氟乙烯或称PVDF(PolyvinylideneFluoride)是一种柔性的具有压电性质的高分子材料，无毒无害，且化学稳定性好，一直以来被人们用于柔性压电器件的制备，如刘夏等人在2017年ACSNano第11卷第5期的PolymericNanofiberswithUltrahighPiezoelectricityviaSelf-OrientationofNanocrystals一文中报道了静电纺丝法，制备出高压电系数的PVDF纳米线，但是需要高电压极化，导致能耗较高。在ValentinaCauda等人在2013年ACSAppliedMaterials&Interfaces期刊上发表的Nanoconfinement:anEffectiveWaytoEnhancePVDFPiezoelectricProperties中，报道了利用氧化铝模板制备高压电相的PVDF纳米柱，但是氧化铝模板价格昂贵，在PVDF纳米柱取出时会消耗模板导致浪费，效率低下，无法实现快速连续制备。2016年，SumantaKumarKaran等人在PVDF中加入氧化石墨烯以及氧化铝，以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)为基底制备出高能量转换效率的PVDF压电器件(AdvancedEnergyMaterials2016,1601016)。但是现有的氧化铝、氧化石墨烯+氧化铝均是利用金属阳离子与PVDF中的氟相互作用诱导分子取向形成极化结构(β或γ相)，制备方式无法快速定型，从而降低器件制备效率。侯成义等人在专利文件(CN106370221A)中公开了一种自响应PVDF/石墨烯/弹性织物复合传感器的制备方法，该制备方法利用纤维结构负载石墨烯以及PVDF以增强电流输出，但是为了得到压电相的PVDF，需要采用高压极化场，从而需要大量能耗。综上可知，现有的柔性发电机的制备方法存在着低效率，高能耗等问题，因此开发一种节能且高效的柔性压电发电机的制备方法是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种制备PVDF/石墨烯柔性压电材料及其柔性压电发电机的制备方法，以提高PVDF/石墨烯柔性压电材料的生产效率，降低能耗，并提高制得的PVDF/石墨烯柔性压电发电机的压电晶型的含量以及提高其压电输出性能。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：将PVDF类聚合物溶解于有机溶剂中得到PVDF类聚合物溶液，并加入石墨烯分散液，得到均匀的石墨烯/PVDF类聚合物分散液；步骤S2：使PVDF/石墨烯分散液浸润一负载纤维材料，再将该负载纤维材料浸没在相分离剂中，并烘干，得到固化的PVDF/石墨烯柔性压电材料。所述步骤S1的PVDF类聚合物溶液与石墨烯分散液通过超声混合均匀。所述步骤S2中，采用浸渍法或喷涂法完成PVDF/石墨烯分散液浸润负载纤维材料。所述步骤S2的烘干温度为40-120℃。所述PVDF类聚合物为PVDF、改性PVDF中的其中一种。所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮或二甲基甲酰胺。所述负载纤维为植物纤维或人工纤维。所述相分离剂为水、盐溶液，或水和醇类溶剂的混合物。所述PVDF类聚合物在所述有机溶剂中的质量百分比为1-10％，且所述石墨烯相对于PVDF类聚合物的固含量为0.01-3％。此外，本专利技术还提供一种PVDF/石墨烯柔性压电发电机的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：提供根据上述PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法制得的PVDF/石墨烯压电材料；步骤S2：在步骤S1中的PVDF/石墨烯压电材料两面设置柔性导电集流体，并进行封装，得到PVDF/石墨烯柔性压电发电机。本专利技术利用相分离剂实现PVDF/石墨烯柔性压电材料的快速固化，因此使得PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备过程简单，快速，提高了生产效率。由于不需要外加电场等，因此不需要大型特定仪器如静电纺丝机，高压极化电源等，减少能耗。同时制备过程完全在水相中进行，因此环保成本低。本专利技术利用相分离剂中的氢键对PVDF中的氟极化，石墨烯的大π健对PVDF中氢来诱导PVDF极化，与现有的利用金属阳离子与PVDF中的氟相互作用诱导分子取向形成极化的极化机理不同，石墨烯和相分离的共同作用提高了压电晶型的含量，使得PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备更加高效快速，并使得制得的PVDF/石墨烯柔性压电发电机产生压电电压更高，能量密度更大，即提高了发电机的压电输出性能。本专利技术采用的基底是多孔结构的或者纺织结构的纸张或纤维布，利用纺织结构的大的比表面积，大大提高了PVDF/石墨烯柔性压电发电机的压电输出性能，同时保留了原材料的柔性。附图说明图1为根据本专利技术的实施例1制备的PVDF/石墨烯柔性压电材料的低倍率扫描电镜图；图2为根据本专利技术的实施例1制备的PVDF/石墨烯柔性压电材料的高倍率扫描电镜图；图3为根据本专利技术的实施例2制备的PVDF/石墨烯柔性压电材料整合集流体后与示波器的组装电路图；图4A为根据本专利技术的实施例2制备的PVDF/石墨烯柔性压电发电机两端的电压与时间的关系曲线，其中该电压由手指按压形成；图4B为图4A的虚线框部分的局部放大图；图5为根据本专利技术的实施例2制备的PVDF/石墨烯柔性压电发电机在弯曲时产生的短路电流与时间的关系曲线；图6A-6B为根据本专利技术的实施例3制备的PVDF/石墨烯压电材料在制备前后的照片对比图，其中图6A为制备前的面纸，图6B为制备得到的压电材料；图7是根据本专利技术的实施例3制得的PVDF/石墨烯柔性压电发电机两端的电压与时间的关系曲线，其中该电压由面纸受到压力后产生。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限制本专利技术的范围。本专利技术的PVDF/石墨烯柔性压电发电机基于以下原理制备：PVDF有α，β，γ，θ四种晶型，其中只有β和γ具有压电效应，因此制备高β，γ晶相含量的PVDF是提高压电性能的关键。本专利技术中首先利用相分离法，由于相分离剂中氢原子与PVDF分子链上氟原子产生的氢键作用，获得高取向性的有序结构。其次，石墨烯是一种二维晶体材料，其巨大的比表面积以及表面大π电子云，与PVDF分子链上的H形成π-H相互作用，进一步获得具有极化性的PVDF分子链。结合石墨烯以及相分离法，利用了这两者的相互增强作用，使得PVDF生成高β相，展现出高压电性，提高柔性压电器件的压电输出。实施例1制备PVDF/石墨烯柔性压电发电机步骤S1：称取2.5gPVDF并通过搅拌将其溶于100mlNMP(N-甲基吡咯烷酮)溶剂中得到PVDF溶液(PVDF在NMP溶剂中的质量百分比为2.5％)，之后量取20mg/ml的石墨烯分散液3ml(石墨烯相对于PVDF的固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：将PVDF类聚合物溶解于有机溶剂中得到PVDF类聚合物溶液，并加入石墨烯分散液，得到均匀的石墨烯/PVDF类聚合物分散液；步骤S2：使PVDF/石墨烯分散液浸润一负载纤维材料，再将该负载纤维材料浸没在相分离剂中，并烘干，得到固化的PVDF/石墨烯柔性压电材料。

【技术特征摘要】
1.一种PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：将PVDF类聚合物溶解于有机溶剂中得到PVDF类聚合物溶液，并加入石墨烯分散液，得到均匀的石墨烯/PVDF类聚合物分散液；步骤S2：使PVDF/石墨烯分散液浸润一负载纤维材料，再将该负载纤维材料浸没在相分离剂中，并烘干，得到固化的PVDF/石墨烯柔性压电材料。2.根据权利要求1所述的PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的PVDF类聚合物溶液与石墨烯分散液通过超声混合均匀。3.根据权利要求1所述的PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用浸渍法或喷涂法完成PVDF/石墨烯分散液浸润负载纤维材料。4.根据权利要求1所述的PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的烘干温度为40-120℃。5.根据权利要求1所述的PVDF/石墨烯柔性压电材料的制备方法，其特征在于，所述PVDF类聚合物为PV...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄涛，周久顺，唐慧霞，丁古巧，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31