一种柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用技术

一种柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用，其主要涉及压电领域。该柔性压电纳米纤维膜的制备方法利用静电纺丝的方法在PVDF的纤维中掺杂ZnO纳米颗粒修饰PVDF纤维，提高了最终柔性压电纳米纤维膜的压电性能，其方法新颖简单、制造成本低廉，有利于推广应用。因此，上述的柔性压电纳米纤维膜及其制备方法不但制备工艺简单、成本低廉、易于实现大面积制备，而且所制备出的纳米纤维膜具备良好的压电性能，使得压电器件(柔性压电纳米纤维膜的应用)具备更好的电性能输出，故上述的柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用具备重要的推广应用价值和广泛的应用前景。

Flexible piezoelectric nanofiber membrane and preparation method and application thereof

A flexible piezoelectric nanofiber membrane and its preparation method and application are mainly related to the piezoelectric field. The preparation method of the flexible piezoelectric nanofiber membrane is used to modify the PVDF fiber with ZnO nanoparticles in the fiber of PVDF, which improves the piezoelectric properties of the final flexible piezoelectric nanofiber film. The method is novel and simple, and the manufacturing cost is low, which is beneficial to popularize. Therefore, the above-mentioned flexible piezoelectric nanofiber membrane and its preparation method not only have simple preparation process, low cost, and easy to realize large area preparation, but also the prepared nanofiber film has good piezoelectric properties, so that the piezoelectric device (flexible piezoelectric nanofiber film should be used) has better electrical performance. The flexible piezoelectric nanofiber membrane and its preparation methods and applications have important application value and wide application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及压电领域，具体而言，涉及一种柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用。
技术介绍
现代社会对能源的消耗和需求越来越大，传统化石能源石油和煤炭正在变得有限。因此，需要开发一种新的清洁能源来克服这种能源需求。压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，将机械能转化为电能。传统的压电材料或陶瓷材料已被广泛用于从机械能收集能量，但是这种陶瓷的低灵活性和高重量问题限制了其在不同的领域中的应用，相对于无机材料，PVDF的化学稳定性高，耐酸碱腐蚀，弯曲和拉伸性能好，压电常数大，频率响应范围大，具备一定的柔性；生物兼容性好，且和皮肤等软组织的黏附性较好。PVDF晶体中有五种不同晶型α，β，γ，δ和ε。非极性α多晶型(TGTG'二面体构象)是热力学高度稳定的，熔化过程直接形成的。β和γ主要是PVDF的极性形式，分别是TTTT和TTTGTTTG的构象。尽管β，γ和δ都是PVDF的极性形式，相比于其他相，β相具有最大的压电、铁电、热电和介电性能。科学家尝试了高电场、静电纺丝、拉伸PVDF薄膜以及氧化物纳米粒子极性诱导等各种增加β晶体含量的方法。因此，选择合适的方法来增加PVDF中β晶体的含量是提高PVDF材料的压电性能的重要研究方向，具有重要的实际应用意义。目前，PVDF材料在压电性能方面主要存在的问题是电性能输出比较差，不能够很好的满足压电传感器的使用需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性压电纳米纤维膜，其具有良好的压电性能。本专利技术的另一目的在于提供一种柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其制备工艺简单，制造成本低廉，并且能够获得压电性能良好的柔性压电纳米纤维膜。本专利技术的另一目的在于提供一种柔性压电纳米纤维膜的应用，其具有良好的电性能输出。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。本专利技术提出一种柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其包括：将乙酸锌的二甲亚砜溶液与四甲基氢氧化铵的乙醇溶液依次进行混合、搅拌后，加乙酸乙酯沉淀出纳米颗粒，再加乙醇胺稳定纳米颗粒，继而再离心分离出ZnO纳米颗粒，并将ZnO纳米颗粒烘干；将PVDF溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，得到PVDF溶液；将烘干后的ZnO纳米颗粒先溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，再加入PVDF溶液并进行水浴加热和搅拌，得到纺丝前驱体溶液；利用静电纺丝设备将纺丝前驱体溶液制成静电纺丝膜，将静电纺丝膜烘干后，再在140-145℃下加热2-2.5h。本专利技术提出一种柔性压电纳米纤维膜，其中，该柔性压电纳米纤维膜是由上述的柔性压电纳米纤维膜的制备方法制备所得。本专利技术提出一种如上述的柔性压电纳米纤维膜的应用，其中，该柔性压电纳米纤维膜是应用在压电器件的制备上。本专利技术实施例的柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用的有益效果是：本专利技术实施例提供的柔性压电纳米纤维膜的制备方法利用静电纺丝的方法在PVDF的纤维中掺杂ZnO纳米颗粒修饰PVDF纤维，提高了最终柔性压电纳米纤维膜的压电性能，其方法新颖简单、制造成本低廉，有利于推广应用。因此，本专利技术实施例提供的柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用(制备成压电器件，如传感器)不但制备工艺简单、成本低廉，而且制备出的纳米纤维膜具备良好的压电性能，使得压电器件的具备更好的电性能输出，故具备重要的推广应用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例提供的传感器的结构示意图；图2为本专利技术实施例所制得的ZnO纳米微球颗粒的扫描电镜图谱；图3为本专利技术实施例提供的ZnO/PVDF复合型柔性压电纳米纤维膜表面形貌放大后的扫描电镜图谱；图4为本专利技术提供的传感器测试过程中开路电压测量结果图谱；图5为本专利技术提供的传感器测试过程中短路电流测量结果图谱。图标：1-PET薄膜；2-PU胶；3-第一电极；4-纤维薄膜；5-第二电极；6-PET薄膜。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的柔性压电纳米纤维膜及其制备方法和应用进行具体说明。本专利技术实施例提供的一种柔性压电纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：S1、将乙酸锌的二甲亚砜溶液与四甲基氢氧化铵的乙醇溶液依次进行混合、搅拌后，加乙酸乙酯沉淀出纳米颗粒，再加乙醇胺稳定纳米颗粒，继而再离心分离出ZnO纳米颗粒，并将ZnO纳米颗粒烘干。进一步地，在制备ZnO纳米颗粒的过程中，乙酸锌和四甲基氢氧化铵的用量比例为3mmol：5.5mmol，并且乙酸乙酯的用量为40mL。需要说明的是，之所以添加乙酸乙酯并且对其用量进行限定，是为了保证能够得到目标预期的ZnO纳米颗粒，从而使得最终的ZnO纳米颗粒粒径也能够满足预期的要求。进一步地，本专利技术实施例中，烘干后的ZnO纳米颗粒的粒径为28-32nm，优选地为30nm。需要说明的是，之所以对ZnO纳米颗粒的粒径进行预期的限定，是因为ZnO纳米颗粒的粒径对于后期纺丝前躯体溶液的制备具有重要的影响，并且进一步会影响到最终柔性压电纳米纤维膜的制备。进一步地，本专利技术实施例在制备ZnO纳米颗粒的过程中，二甲亚砜、乙醇、乙酸乙酯和乙醇胺的用量分别为30mL、10mL、40mL、160μL；在离心分离出ZnO纳米颗粒的过程中，离心机的离心转速为10000-10010r/min，优选地，离心机的离心转速为10000r/min。需要说明的是，在其他实施例当中，二甲亚砜、乙醇、乙酸乙酯和乙醇胺的用量可以在其自身对应的用量基础上留有0.5mL的余量。另外，本专利技术实施例之所以对二甲亚砜、乙醇、乙酸乙酯和乙醇胺的用量进行限定，是为了保证乙酸锌溶液与四甲基氢氧化铵溶液的充分反应，并保证最终经过稳定、分离、烘干后ZnO纳米颗粒的质量。S2、将PVDF溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，得到PVDF溶液。进一步地，在本专利技术实施例的制备PVDF溶液的过程中，丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中丙酮和二甲基乙酰胺的体积比为5：7，PVDF溶液的质量分数为22％-28％，优选地，PVDF溶液的质量分数为25％。需要说明的是，在本专利技术实施例中之所以对丙酮和二甲基乙酰胺的体积比进行限定，是为了保证后续纺丝纤维的质量；而对PVDF溶液质量分数进行相应的限定是为了保证在后续合成纺丝前驱体溶液过程中能够得到目标预期的产物。S3、将烘干后的ZnO纳米颗粒先溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，再加入PVDF溶液并进行水浴加热和搅拌，得到纺丝前驱体溶液。进一步地，在进行水浴加热的过程中，加热温度为35-45℃，加热搅拌时间为6h。需要说明的是，本实施例之所以对水浴加热的参数进行限定，是为了保证纺丝前驱体溶液的高质量合成，从而保证纺丝前驱体溶液的质量要求。S4、利用静电纺丝设备将纺丝前驱体溶液制成静电纺丝膜，将静电纺丝膜烘干后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，其包括：将乙酸锌的二甲亚砜溶液与四甲基氢氧化铵的乙醇溶液依次进行混合、搅拌后，加乙酸乙酯沉淀出纳米颗粒，再加乙醇胺稳定所述纳米颗粒，继而再离心分离出ZnO纳米颗粒，并将所述ZnO纳米颗粒烘干；将PVDF溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，得到PVDF溶液；将烘干后的ZnO纳米颗粒先溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，再加入PVDF溶液并进行水浴加热和搅拌，得到纺丝前驱体溶液；利用静电纺丝设备将所述纺丝前驱体溶液制成静电纺丝膜，将所述静电纺丝膜烘干后，再在140‑145℃下加热2‑2.5h。

【技术特征摘要】
1.一种柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，其包括：将乙酸锌的二甲亚砜溶液与四甲基氢氧化铵的乙醇溶液依次进行混合、搅拌后，加乙酸乙酯沉淀出纳米颗粒，再加乙醇胺稳定所述纳米颗粒，继而再离心分离出ZnO纳米颗粒，并将所述ZnO纳米颗粒烘干；将PVDF溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，得到PVDF溶液；将烘干后的ZnO纳米颗粒先溶于丙酮和二甲基乙酰胺的混合溶液中，再加入PVDF溶液并进行水浴加热和搅拌，得到纺丝前驱体溶液；利用静电纺丝设备将所述纺丝前驱体溶液制成静电纺丝膜，将所述静电纺丝膜烘干后，再在140-145℃下加热2-2.5h。2.根据权利要求1所述的柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述乙酸锌和所述四甲基氢氧化铵的用量比例为3mmol：5.5mmol；另外，烘干后的所述ZnO纳米颗粒的粒径为28-32nm。3.根据权利要求1所述的柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，在制备所述PVDF溶液的过程中，所述丙酮和所述二甲基乙酰胺的混合溶液中，所述丙酮和所述二甲基乙酰胺的体积比为5：7；所述PVDF溶液的质量分数为22％-28％。4.根据权利要求1所述的柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，在进行水热加热的过程中，加热温度为35-45℃，加热搅拌时间为6h。5.根据权利要求1所述的柔性压电纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，对所述静电纺丝膜进行烘干的过程中，烘干温度为40℃，烘干时间为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓维礼，杨维清，杨涛，闫成，靳龙，熊达，赵凡漪，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51