一种PVDF-TrFE/石墨烯高性能复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种PVDF‑TrFE高性能压电薄膜的制备方法，分为以下步骤：1、使用超声波搅拌器和机械搅拌器将PVDF‑TrFE粉末和石墨烯纳米颗粒在DMF溶液中搅拌均匀；2、将所得到的混合溶液在干燥箱中初结晶；3、将初结晶后的薄膜在拉伸机上进行轴向拉伸；4、对拉伸后的薄膜进行热处理；5、对热处理的薄膜进行极化。其优点是：成本低廉、压电性能高、操作简便、工艺要求低。

A preparation method of PVDF-TrFE/ graphene high performance composite material

The invention discloses a preparation method of PVDF TrFE high performance piezoelectric film, which is divided into the following steps: 1, use an ultrasonic agitator and a mechanical agitator to stir the PVDF TrFE powder and graphene nanoparticles in the DMF solution; and 2, the obtained mixed solution is first crystallized in the drying box; 3. The film is subjected to axial stretching on the drawing machine; 4, heat treatment of the stretched film; 5, polarization of the heat treated film. Its advantages are low cost, high piezoelectric performance, easy operation and low technological requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种PVDF-TrFE/石墨烯高性能复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及向PVDF-TrFE添加石墨烯以增强其压电性能的制备方法。
技术介绍
自供能技术是器件利用自身周围的能量转变成电能并驱动器件工作的一种先进技术，广泛应用于无线传感器、建筑物健康监测、机器在线监测、微纳器件等领域。在实现能量转变的压电材料中，PVDF及其共聚物以其无污染、耐酸碱腐蚀、造型便利、柔性佳等特点，受到广泛的关注。然而，在PVDF及其共聚物的初结晶薄膜中，非压电性的α晶相是主要的成分，因而为了提高其压电效应，需要改变分子内部的晶体结构，使得压电薄膜转变为以压电性β晶相为主。目前增加材料的β晶相的方法有轴向拉伸、高温高压、强电场极化、添加纳米颗粒等方法。中国专利CN205352811U设计了一种石墨烯PVDF复合膜，使用两层石墨烯包夹PVDF薄膜形成三明治结构，该复合膜能够提高蛋白质到PVDF膜上的效率，同时也提高复合膜的机械强度。中国专利CN106370290A设计了一种PVDF纳米纤维/石墨烯/弹性纤维压电传感器，采用静电纺丝技术制备石墨烯/弹性纤维包裹PVDF的压电纤维，该类型传感器力学性能稳定，不需要额外的电源支持。目前尚未有关于PVDF-TrFE添加纳米颗粒增强压电性能的专利发表。
技术实现思路
本专利技术的核心是通过改进复合材料的制备流程，制备性能优良的压电高分子薄膜，具有发电能力强、柔性好、成本低等优点。本专利技术的方法，包括以下步骤：1、使用电子天平称取适量的微量石墨烯，加入对应质量的DMF溶液；2、使用超声波搅拌机搅拌15分钟，连续搅拌两次；3、向混合溶液中加入适量的PVDF-TrFE粉末，质量比为DMF:PVDF-TrFE＝3.5:1；4、使用行星搅拌器将上述混合物搅拌均匀，转速2000转/分，时间15分钟；5、使用超声波搅拌器搅拌5分钟；6、使用行星搅拌器搅拌10分钟，超声波搅拌器搅拌5分钟；7、再次使用行星搅拌器搅拌3分钟，转速2000转/分，之后脱泡1分钟；8、将上述获得的混合溶液涂在陶瓷容器上，放置在小型环境试验机中干燥，温度60℃，湿度0％，干燥时间4小时；9、将步骤8获得的混合物在真空干燥机中干燥12小时，温度40℃，获得初结晶薄膜；10、将步骤9获得的初结晶薄膜在65℃左右下进行拉伸，拉伸速率10毫米/分钟，拉伸倍率4.5～5.5；11、将步骤10获得的拉伸后薄膜，在真空干燥箱中进行热处理，温度127℃，时间1小时：(1)将真空干燥箱温度升至50℃，然后将薄膜放入干燥箱中；(2)将温度以2℃/min的速度升至113℃并保持30分钟预热；(3)将温度升到127℃并保持1小时；12、将步骤11所获得的薄膜贴上铝箔作为电极；13、对薄膜使用分步极化法进行极化处理，极化电场强度最大为60MV/m。说明书附图图1PVDF-TrFE压电片粘贴位置示意图具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明：实施例1：该实施例的目标是制造PVDF-TrFE/石墨烯复合材料薄膜，石墨烯的含量为0.05wt％，薄膜长为3cm，宽为1cm，拉伸前厚度约为300μm，拉伸后厚度约为100μm。所使用的材料有PVDF-TrFE粉末，商业石墨烯，溶剂为DMF溶液(纯度>99％)。材料的参数见下表：表1PVDF-TrFE的性质分子量350000熔化温度153℃居里温度118℃组成成分：VDF/TrFE75/25(mol％)形态粉末状表2石墨烯的性质密度>1g/cm3弹性模量1TPa抗拉强度130GPa电导率106S/cm热导率约5000W/mK比表面积2630m2/g具体的制作步骤如下：1、使用电子天平称取4mg石墨烯，加入28gDMF溶液；2、使用超声波搅拌机搅拌15分钟，连续搅拌两次；3、向混合溶液中加入8g的PVDF-TrFE粉末；4、使用行星搅拌器将上述混合物搅拌均匀，转速2000转/分，时间15分钟；5、使用超声波搅拌器搅拌5分钟；6、使用行星搅拌器搅拌10分钟，超声波搅拌器搅拌5分钟；7、再次使用行星搅拌器搅拌3分钟，转速2000转/分，之后脱泡1分钟；8、将上述获得的混合溶液倾在陶瓷容器上，溶液厚度约为2.5mm，长宽为15cm×6.5cm，放置在小型环境试验机中干燥，温度60℃，湿度0％，干燥时间4小时；9、将步骤8获得的混合物在真空干燥机中干燥12小时，温度40℃，获得初结晶薄膜；10、将步骤9获得的初结晶薄膜在65℃左右下进行拉伸，拉伸速率10毫米/分钟，拉伸倍率4.5～5.5；在拉伸之前先进行5分钟预热，拉伸后再保持温度约5分钟；11、将步骤10获得的拉伸后薄膜，在真空干燥箱中进行热处理，温度127℃，时间1小时：(1)将真空干燥箱温度升至50℃，然后将薄膜放入干燥箱中；(2)将温度以2℃/min的速度升至113℃并保持30分钟预热；(3)将温度升到127℃并保持1小时；12、将步骤11所获得的热处理后薄膜剪切成1cm宽，3cm长的薄片，长度沿拉伸方向；13、将步骤12所获得的薄膜贴上铝箔作为电极；14、对薄膜使用分步极化法进行极化处理，极化电场起始强度为20MV/m，持续时间8分钟，暂停4分钟；每一步电场强度增加10MV/m，最大电场强度为60MV/m；15、将PVDF-TrFE薄膜使用如图1所示尺寸粘到铝板上，铝板的厚度为1mm；16、测试压电片的发电能力。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PVDF‑TrFE/石墨烯复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)使用超声波搅拌器和机械搅拌器将PVDF‑TrFE粉末和石墨烯纳米颗粒在DMF溶液中搅拌均匀；(2)将所得到的混合溶液在干燥箱中进行固化，获得初结晶薄膜；(3)将初结晶后的薄膜在拉伸机上进行轴向拉伸；(4)对拉伸后的薄膜进行热处理；(5)对热处理后的薄膜进行极化。

【技术特征摘要】
1.一种PVDF-TrFE/石墨烯复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)使用超声波搅拌器和机械搅拌器将PVDF-TrFE粉末和石墨烯纳米颗粒在DMF溶液中搅拌均匀；(2)将所得到的混合溶液在干燥箱中进行固化，获得初结晶薄膜；(3)将初结晶后的薄膜在拉伸机上进行轴向拉伸；(4)对拉伸后的薄膜进行热处理；(5)对热处理后的薄膜进行极化。2.根据权利要求1所述的一种PVDF-TrFE/石墨烯复合材料的制备方法，其特征是：交替使用超声波搅拌和机械搅拌，具体为(1)在制备石墨烯DMF混合液时，使用超声波搅拌机搅拌15分钟，连续搅拌两次；(2)在将PVDF-TrFE粉末放入(1)的混合液后，使用行星搅拌器搅拌15分钟，之后使用超声波搅拌5分钟，接着行星搅拌器搅拌10分钟，接着超声波搅拌5分钟，再用行星搅拌器搅拌3分钟，脱泡1分钟。3.根据权利要求1所述的一种PVDF-TrFE/石墨烯复合材料的制备方法，DMF和PVDF-TrFE的质量比为3.5:1。...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宁，阿拉木斯，吴良科，
申请(专利权)人：海宁盛台材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33