高压电低模量聚合物合金及制备方法技术

本发明专利技术涉及有机功能材料制备技术领域，提供了一种高压电低模量聚合物合金及制备方法，所述制备方法包括：S1、将不同配比的二聚物P(VDF

【技术实现步骤摘要】
高压电低模量聚合物合金及制备方法


[0001]本专利技术涉及有机功能材料制备
，特别涉及一种高压电低模量聚合物合金及制备方法。

技术介绍

[0002]有机压电体是机电系统中不可缺少的材料，已被用于医学超声成像、可穿戴传感器、水下声纳、致动器。为了满足压电设备日益增长的性能需求，特别是高频医用超声成像和可穿戴超低压感知，迫切需要高压电性能有机材料。然而，大多数有机压电材料具有低的准静态压电系数(d
33
<约
‑
25pC/N)。
[0003]当前提高压电性能主要有两种方法。一种是通过定向拉伸、退火处理或掺杂极性材料，提高极性相含量，增加压电性能。但这种方法减少了有机材料中分子构象数量，增加结晶度或增强分子链之间的相互作用，导致了高杨氏模量(>约1GPa)。高杨氏模量造成有机压电材料与附着物体的力学相容性差，极大地阻碍了它们的应用，尤其是在可穿戴设备和生物电子学领域，因为与人体组织的力学相容性要求材料有低的杨氏模量(<约400MPa)，以确保长期的生物集成和减少异物反应。
[0004]另一种方法是通过组分差异在有机压电材料中诱导双相竞争的准同型相界(MPB)。由于MPB处不稳定的极化态，极化方向很容易被外部电场或应力所扭转，产生高的压电性能。但是MPB尚未在除二聚物P(VDF
‑
TrFE)(49/51mol％)之外的其他有机压电材料实现，因为有机压电材料的分子构象很容易在外电场下改变，两个能量相近的相直接转变为单相。因此，在没有明显增加杨氏模量情况下制备高压电性能有机材料是一前所未有挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种高压电低模量聚合物合金及制备方法，通过P(VDF
‑
TrFE)(聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯)和P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)(聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯
‑
氯氟乙烯)分子级别相容和分子链构象调控，制备了具有准同型相界的高压电、低模量聚合物合金。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种高压电低模量聚合物合金的制备方法，包括：
[0008]S1、将不同配比的二聚物P(VDF
‑
TrFE)和三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)溶入极性溶剂中，形成混合溶液；
[0009]S2、将步骤S1得到的所述混合溶液在基底上制成薄膜，结晶和退火，得到压电聚合物合金；
[0010]S3、用强电场极化步骤S2中得到的压电聚合物合金，即得所述高压电低模量聚合物合金。
[0011]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，二聚物P(VDF
‑
TrFE)中TrFE含量为20mol％至70mol％；三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)中CFE含量为6mol％
至12mol％。
[0012]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，在二聚物P(VDF
‑
TrFE)和三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)中，二聚物P(VDF
‑
TrFE)的质量分数为10wt％至50wt％。
[0013]需要说明的是：二聚物P(VDF
‑
TrFE)中TrFE含量、三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)中CFE含量不在上述范围内时，则不能产生准同型相界(MPB)，压电聚合物合金性能得不到有效提升。
[0014]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，所述极性溶剂为六甲基磷酰三胺、四氢呋喃、二甲基亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、硝基甲烷、丙酮和吡啶中的一种。
[0015]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，二聚物P(VDF
‑
TrFE)和三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)之间为分子级别相容。分子级别相容即两种聚合物的每个分子链分散在一起，分子级别相容判断标准是看两聚合物是否形成单一玻璃转化温度。如果只有一个玻璃转化温度即达到分子级别相容。要实现分子级别相容需要聚合物分子链之间有很强的相互作用。
[0016]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，结晶温度为40～100℃，结晶时间2～48h。
[0017]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，退火温度为90～150℃，退火时间10min～48h；所制得的压电聚合物合金只有一个玻璃转化温度Tg。
[0018]需要说明的是：如果结晶温度和退火温度超出上述范围，压电聚合物合金结晶不好，性能难以得到有效提升。
[0019]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中，极化后，所述高压电低模量聚合物合金有全反式相(β相)和3/1螺旋相(3/1
‑
helical相)双相共存，构成准同型相界。
[0020]另一方面，本专利技术还提供了一种高压电低模量聚合物合金，通过上述的高压电低模量聚合物合金的制备方法制得。
[0021]如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高压电低模量聚合物合金的压电系数大于32pC/N，杨氏模量低至200Mpa。
[0022]本专利技术的有益效果为：通过两有机聚合物分子级别相容，控制结晶温度和退火温度，制备聚合物合金；利用组分和极化电场调控分子链构象和相结构，诱导准同型相界，实现了聚合物合金的高压电性和低杨氏模量，为构筑高性能压电器件奠定了基础。本专利技术使用的材料体系简单可控、制作成本低廉，拥有重大的商业价值和实用意义。
附图说明
[0023]图1基于P(VDF
‑
TrFE)(80/20mol％)高压电低模量聚合物合金的玻璃转化温度。
[0024]图2基于P(VDF
‑
TrFE)(80/20mol％)高压电低模量聚合物合金的相结构。
[0025]图3基于P(VDF
‑
TrFE)(80/20mol％)高压电低模量聚合物合金的压电系数。
[0026]图4基于P(VDF
‑
TrFE)(80/20mol％)高压电低模量聚合物合金的应力
‑
应变曲线(由曲线斜率可算出杨氏模量)。
[0027]图5基于P(VDF
‑
TrFE)(55/45mol％)高压电低模量聚合物合金的相结构。
[0028]图6基于P(VDF
‑
TrFE)(55本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压电低模量聚合物合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1、将不同配比的二聚物P(VDF
‑
TrFE)和三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)溶入极性溶剂中，形成混合溶液；S2、将步骤S1得到的所述混合溶液在基底上制成薄膜，结晶和退火，得到压电聚合物合金；S3、用强电场极化步骤S2中得到的压电聚合物合金，即得所述高压电低模量聚合物合金。2.如权利要求1所述的高压电低模量聚合物合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中，二聚物P(VDF
‑
TrFE)中TrFE含量为20mol％至70mol％；三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)中CFE含量为6mol％至12mol％。3.如权利要求1所述的高压电低模量聚合物合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中，在二聚物P(VDF
‑
TrFE)和三聚物P(VDF
‑
TrFE
‑
CFE)中，二聚物P(VDF
‑
TrFE)的质量分数为10wt％至50wt％。4.如权利要求1所述的高压电低模量聚合物合金的制备方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，高放放，廖庆亮，高丽，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：