一种压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于功能复合材料技术领域，涉及复合纳米纤维膜，特别是指一种压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜及其制备方法。向溶剂中加入石墨烯，然后再放入一个磁子，封口后超声1h，得石墨烯溶液；向石墨烯溶液中加入PAN，经恒温磁力搅拌至PAN完全溶解，然后再常温搅拌至形成均匀的纺丝液；将纺丝液经真空去泡后吸入注射器中，进行静电纺丝，制备PVDF/石墨烯复合纳米纤维膜。石墨烯的加入改善了PAN的热性能和力学性能，使PAN/石墨烯复合纳米纤维膜具有较高的热稳定性和力学性能。对PAN/石墨烯复合纳米纤维膜进行压电性能测试，发现其具有较高的输出电压和输出电流。输出电压和输出电流。输出电压和输出电流。

【技术实现步骤摘要】
一种压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能复合材料
，涉及复合纳米纤维膜，特别是指一种压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球经济飞速、持续的发展和世界人口持续的増加，能源危机问题越发加剧。人们大规模地消耗石油、煤炭和天然气等化石能源所引起的环境污染问题也对我们的健康和生活造成了极大困扰。因此，如何能够既缓解能源危机又不污染环境已成为人类可持续发展所必须要解决的核心问题。从长远发展来看，用新型的绿色可再生能源逐步替代传统能源才是最根本的解决方案。新型的可再生能源主要是指机械能、太阳能、水能、风能等。在机械能收集方面，压电效应有着极其重要与广泛的应用价值，如压电纳米发电机。
[0003]压电材料是一种具有功能特性的高技术材料，能够实现电能与机械能的能量转换，该材料普遍应用于生物领域、光电信息领域和可再生能源领域。压电材料主要分为以下几种：压电晶体（如石英）、压电陶瓷（如钛酸钡）、压电聚合物（如聚偏氟乙烯）和压电复合材料（如聚偏氟乙烯和钛酸钡的柔性复合材料）。
[0004]传统的压电陶瓷具有较高的压电性能，但其固有的脆性、硬度和极差的柔性限制了其应用，这也是其在柔性电子器件/可穿戴电子器件中应用的主要障碍。在压电聚合物中，聚偏氟乙烯（PVDF）是一种最重要的商业化压电材料，其良好的压电性能来源于其反式平面锯齿形构象β晶型。然而，PVDF软化温度低，介电损耗高，同时其价格昂贵不易得。而作为三大合成纤维原料之一的PAN，价格便宜易得，具有较好的耐环境性和耐热性等，最重要的是，由于具有较大偶极矩氰基的存在，使PAN具有比PVDF更大的偶极矩，这将直接影响聚合物材料的压电性能。偶极矩越大，压电性能越好。同时，相比于压电高分子PVDF无法聚合形成共聚物，PAN是一种有望替代PVDF用作压电领域。
[0005]聚丙烯腈（PAN）是由丙烯腈单体通过自由基聚合反应得到的。PAN具有较高的熔点、耐溶剂性、耐候性、老化性及绝缘性，常被用于废水处理；同时，PAN也具有抗污染、易清洗以及独特的亲-疏水性，非常适合用于染料废水的分离材料。但是，与常用纳米纤维膜相比，PAN纤维比较蓬松、不耐磨及强度较低，从而限制其作为膜材料的应用。基于此，有必要对其进行改性来提高其强度。
[0006]王彪等[王彪，郑迎迎，李凤美，一种还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维及其制备方法，专利号：CN 107956110 A]采用自组装技术制备了还原氧化石墨烯/聚丙烯腈复合纤维。与传统石墨烯/聚丙烯腈复合材料制备技术相比，静电纺丝法制备复合纳米纤维膜的优点主要体现在工艺简单、易于操作等方面。并且通过静电纺丝法所制备的复合纳米纤维膜的纤维膜在孔隙直径、纤维均一性以及稳定性等方面都要优于其它制备方法。同时，该复合纳米纤维膜也呈现出较大的比表面积和空隙率。尽管有研究组通过湿法—多针静电纺丝技术和静电纺丝技术分别制备出了聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纱[专利号：CN 105862142 A]和取向多孔的石墨烯/聚丙烯腈复合纳米纤维[专利号：CN 109468686 A]，但是由于其最终
的制品为纤维纱线，因此，不能用来制备较大表面积的块材料。同时，该研究组对聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纱的力学性能和导电性能进行了探讨，未对其作为压电传感器的压电性能进行深入研究。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜及其制备方法。
[0008]本专利技术的技术方案是这样实现的：压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜的制备方法，步骤如下：（1）向溶剂中加入石墨烯，然后再放入一个磁子，封口后超声1h，得石墨烯溶液；（2）向步骤（1）的石墨烯溶液中加入PAN，经恒温磁力搅拌至PAN完全溶解，然后再常温搅拌至形成均匀的纺丝液；（3）将步骤（2）的纺丝液经真空去泡后吸入注射器中，进行静电纺丝，制备PVDF/石墨烯复合纳米纤维膜。
[0009]所述步骤（1）中溶剂为DNF与丙酮的混合溶剂，其中DMF与丙酮的体积比（6-10）:2。
[0010]所述步骤（1）中石墨烯溶液的质量浓度为1-5 wt%。
[0011]所述步骤（2）纺丝液中PAN的质量分数为10-12w t%。
[0012]所述步骤（2）中恒温磁力搅拌的温度为60-80 ℃。
[0013]所述步骤（3）中静电纺丝的参数为：纺丝电压为16-18 kV、接收距离为15-20 cm、注射速率为0.6-1.2 mL/h和纺丝时间为5-6 h。
[0014]上述方法制备的耐高温复合纳米纤维膜，所述耐高温复合纳米纤维膜厚度为100-120 μm，输出电压约为5-6 V，电流为0.150-0.175 μA。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的有益效果：1、该制备工艺简单，设备要求低，易于操作，所制备的PAN/石墨烯复合纳米电纺膜形貌均匀，80%以上的纤维直径均集中在300-500 nm之间。同时，由于所用原料为质轻且具有良好柔性的高分子材料，因此，该复合纤维膜也具有较好的柔韧性，可以根据需要裁剪成不同尺寸或复杂形状的薄膜。
[0016]2、石墨烯的加入改善了PAN的热性能和力学性能，使PAN/石墨烯复合纳米纤维膜具有较高的热稳定性和力学性能。
[0017]3、PAN/石墨烯复合纳米纤维膜具有良好的压电性能，其输出电压和输出电流分别高达约6 V和1.5μA，使其有望作为传感器、能量捕获器在个人健康监控、疾病治疗和预防、电子、测量、军事、交通、等领域得到应用。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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的附图。
[0019]图1为实施例1制备得到的PAN纳米纤维膜SEM形貌图和其纤维直径分布。
[0020]图2为实施例1制备得到的PAN/石墨烯复合纤维膜来进行力学性能实验所得到的力学性能结果。
[0021]图3为实施例1制备得到纯PAN基纳米纤维膜和不同含量石墨烯含量的PAN/石墨烯复合纳米纤维膜的TGA曲线。
[0022]图4为实施例是制备得到的PAN/石墨烯复合纤维膜来进行压电性能测试所得到的输出电压和输出电流结果图，其中PAN纤维膜的（a）输出电压和（b）输出电流；PAN/石墨烯复合纳米纤维膜的（c）输出电压和（d）输出电流。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]实施例1本实施例的压电性能良好的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于步骤如下：（1）向溶剂中加入石墨烯，然后再放入一个磁子，封口后超声1h，得石墨烯溶液；（2）向步骤（1）的石墨烯溶液中加入PAN，经恒温磁力搅拌至PAN完全溶解，然后再常温搅拌至形成均匀的纺丝液；（3）将步骤（2）的纺丝液经真空去泡后吸入注射器中，进行静电纺丝，制备PVDF/石墨烯复合纳米纤维膜。2.根据权利要求1所述的压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中溶剂为DNF与丙酮的混合溶剂，其中DMF与丙酮的体积比（6-10）:2。3. 根据权利要求1所述的压电性能良好的耐高温复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中石墨烯溶液的质量浓度为1-5 wt%。4. 根据权利要求1所述的压电性能良...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠柱，陈嘉亮，潘玮，秦琦，宋梦，米立伟，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：