一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫及其制备方法，包括以下步骤：首先将压电聚合物，压电陶瓷，改性剂，与溶剂DMSO混合均匀，进行定向冷冻，并将样品置于强极性溶剂中进行溶剂交换，制得具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫。本发明专利技术结合定向冷冻和溶剂交换的方式实现了常规冷冻干燥方法难以得到的具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫，提升压电材料的压电传感性能和力电转换效率。通过本发明专利技术方法制得的产品，开发获取人体生理信号以及收集机械能的智能电子器件如电子皮肤、可植入穿戴设备、柔性应力传感器等，用于人体检测、智能传感等领域。能传感等领域。能传感等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫及其制备方法


[0001]本专利技术属于压电聚合物材料改性
，尤其涉及一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫及其制备方法。

技术介绍

[0002]近几年来，柔性应力传感器在人体动态检测、人机交互以及健康监测等领域显示出巨大潜力。基于将机械能转为电能的压电传感器，因其高频率检测、快速响应以及自供电等优势获得广泛关注和应用。PVDF及其共聚物是目前最常用的压电聚合物。这类含氟聚合物在室温下稳定，具有良好柔性、化学惰性、生物相容性以及突出的压电转化效率。
[0003]PVDF及其共聚物的性质直接受其结构影响，主要取决于它的晶型。以PVDF为例，PVDF存在五种晶型，其中最常见的是α和β相，α
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PVDF的F原子和H原子交替排列在两侧，偶极距呈相反方向，没有压电性能。β
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PVDF的偶极矩呈相同方向且垂直于主链，F原子集中在碳链的一侧，β
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PVDF是压电性能最好的晶型。然而，α相的构象热力学稳定。因此，提高β相含量是开发PVDF作为压电器件应用的一个关键问题。目前，许多研究方法可以通过诱导偶极子的排列实现PVDF中β相含量的提高，如高电场极化，电拉伸，添加成核剂。另外，利用无机压电陶瓷的优异的压电性能，克服压电陶瓷坚硬、易碎的缺点，将无机压电陶瓷作为填料分散于压电聚合物基体内，可以进一步提升PVDF及其共聚物的压电输出性能。
[0004]另一方面，在PVDF及其共聚物的微观结构上利用应力集中效应，纳米限域效应等机理构建三维结构是提升力电转换和传感性能的有效途径。虽然目前PVDF及其共聚物材料在结构设计上已有不少的探索，如金字塔阵列，薄壁结构，互锁结构。但是，目前大多仍是各向同性，这限制了此类材料在压电传感领域的应用。定向冷冻方式是一种构建取向孔结构的理想方式。它是沿着温度梯度定向生长的冰晶为诱导模板从而复制其取向结构的过程。但是，因溶解压电聚合物的极性溶剂一般是低凝固点(如
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61℃的N,N二甲基甲酰胺)，低蒸汽压(如二甲亚砜)。在极低的温度下进行冷冻干燥，不仅对设备有严苛的要求，而且会导致高能耗。低蒸汽压的溶剂在冷冻干燥过程难挥发，易转变成液态，导致定向孔的坍塌。因此，传统的定向冷冻方法目前还不能成熟运用于PVDF及其共聚物。这一难题也使得构建各向异性压电聚合物成为挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫及其制备方法，具有高电活性晶、柔性、高压电灵敏度和各向异性传感等优点，这种制备方式为压电器件的发展提供了新思路，推动压电聚合物各向异性压电功能器件的发展。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]a.将压电聚合物与压电陶瓷、改性剂、溶剂混合均匀，形成混合溶液；
[0009]b.将混合溶液置于模具内，定向冷冻；
[0010]c.成型样品置于强极性溶剂中进行溶剂交换后，干燥即得。
[0011]值得说明的是，本专利技术选择高蒸汽压、低凝固点的溶剂，实现对溶于有机溶剂的压电聚合物的定向冷冻；利用PVDF及其共聚物在强极性溶剂中发生相分离的特点，引入溶剂交换的过程，保留定向冷冻赋予的定向排列孔形态，获得了以往压电聚合物通过常规冷冻方式难以得到的取向孔结构；另一方面，这种孔结构拓展了压电聚合物结构的设计，提升了压电聚合物的压电输出和传感性能。
[0012]通常地，步骤(a)所述压电聚合物粒料选自PVDF粒料、PVDF
‑
TrFE粒料中的一种或两者组合。
[0013]通常地，步骤a所述的溶剂选择二甲亚砜。
[0014]通常地，步骤(a)所述压电陶瓷选自钛酸钡，锆钛酸铅、氧化锌、铌酸钾中的一种或两者以上组合。
[0015]通常地，步骤(a)所述改性剂选自离子液体、碳纳米管、石墨烯、二维碳化钛中的一种或两者以上组合。
[0016]所述改性剂是利用所含的离子、羟基、氟原子等与PVDF的
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CH键以及
‑
CF键之间存在强烈的离子
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偶极，偶极
‑
偶极及氢键相互作用，因此能够有效诱导PVDF高β晶含量，实现获得高β晶含量压电聚合物功能器件。
[0017]通常地，步骤(c)中的强极性溶剂选自水、甲醇、乙醇、异丙醇、甲乙酮、丙酮、乙酸乙酯中的一种或两种以上混合，溶剂交换温度为小于10℃，溶剂交换时间16
‑
48h。
[0018]进一步地，压电陶瓷与压电聚合物的质量比为0
‑
2:10。
[0019]进一步地，改性剂与压电聚合物的质量比为0
‑
1.5:10。
[0020]进一步地，装有混合溶液的模具置于铜板上，液氮或加有干冰的乙醇在底部作为冷源，定向冷冻30s
‑
20min。
[0021]进一步地，压电聚合物/压电陶瓷/改性剂复合物浸在0
‑
10℃的强极性溶剂中进行交换。
[0022]进一步地，样品置于强极性溶剂中交换时间16
‑
48h。
[0023]进一步地，样品干燥方式包括室温25℃干燥24
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48h、在25℃
‑
30℃的烘箱内干燥24
‑
48h或者于
‑
45℃、
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5Pa冷冻干燥24
‑
48h，即得。
[0024]采用上述的方法制备的具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫。
[0025]上述的具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫在制备压电器件方面的应用，压电器件包括能量收集器、传感器、可穿戴设备等。
[0026]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0027]1、本专利技术结合定向冷冻和溶剂交换的方式，构建了常规冷冻难以得到的取向孔结构，具备结构以及传感各向异性的特点，拓展了PVDF及其共聚物的结构设计以及应用；
[0028]2、本专利技术通过改性剂含有的离子，极性基团与PVDF的
‑
CH和
‑
CF键之间存在强烈的离子
‑
偶极，偶极
‑
偶极及氢键相互作用，因此在能够有效诱导PVDF高β晶含量，获得高β晶含量(β晶含量95％)的压电聚合物功能器件，压电性能大幅度提升；
[0029]3、本专利技术所用的原料PVDF及其共聚物作为通用商业化塑料，物化性能优异；
[0030]4、本专利技术所获得的具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫可作为压电机械能收集器件、压电传感器、压电驱动器等，用于新能源、压力传感、人工智能等领域。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有取向孔结构的压电聚合物基泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a.将压电聚合物粒料与压电陶瓷、改性剂、溶剂混合均匀，形成混合溶液；b.将混合溶液置于模具内，进行定向冷冻；c.成型样品置于强极性溶剂中进行溶剂交换，干燥即得。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述压电聚合物粒料选自PVDF粒料、PVDF
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TrFE粒料中的一种或两者组合。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述压电陶瓷选自钛酸钡，锆钛酸铅、氧化锌、铌酸钾中的一种或两者以上组合。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述改性剂选自离子液体、碳纳米管、石墨烯、二维碳化钛中的一种或两者以上组合。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述溶剂为二甲亚砜。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电陶瓷与压电聚合物的质量比为0
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2:10，所述改性剂与压电聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺丽蓉，韩铖，赵辉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：