一种柔性耐高温压电材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性耐高温压电材料及其制备方法和应用，涉及分子结构设计以及耐高温压电传感器制备技术领域。所述柔性耐高温压电材料为丙烯腈

【技术实现步骤摘要】
一种柔性耐高温压电材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及分子结构设计以及耐高温压电传感器制备
，特别是涉及一种柔性耐高温压电材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着高新技术产业的不断发展，对于轻量化、智能化材料的需求逐渐增加。目前智能材料主要有压电材料、记忆形状合金、电致伸缩材料和磁致伸缩材料等。其中压电材料是微能量收集器的天然候选材料，能够自适应环境的变化将机械能转化为电能，具有优异的柔韧性、良好的机械成型性、易加工和轻量等优点，在传感器、能量收集装置以及其他技术中具有广泛的应用。
[0003]目前，高新技术生产发展需要各类微型机电系统在各种严酷环境下进行物理量测量，例如在冶金、航空航天工业中的燃烧室、涡轮系统和火箭引擎系统，于是作为核心部件的压电材料便被赋予了新的挑战——柔性耐高温。压电材料在过去几十年受到了相当大的关注，传统的压电材料通常为钛酸钡、钛酸铅等压电陶瓷材料，这些材料具有非常高的介电和压电系数，但是其刚性和脆性特征不能满足柔性和可穿戴器件的需求。新型的聚合物压电材料主要有聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡咯烷酮等，其中聚偏氟乙烯(PVDF)是最为常见的一种压电聚合物，由于其β晶型中分子链呈现TTTT构象(平面锯齿状)，CF2偶极子朝向同一个方向，因此具有较大的自发极化倾向，室温下纯PVDF的d
33
可达33pC/N，但是PVDF的工作温度范围为
‑
20～70℃，限制了其在高温领域的应用。
[0004]聚丙烯腈(PAN)分子链中具有强极性
‑
CN侧基，在分子间很容易形成较强的偶极相互作用力。但是，PAN分子链内相邻的
‑
CN侧基会产生较大的斥力，并且分子链上的氢原子和
‑
CN中的氮原子会形成分子间氢键而相互吸引，这种引力和斥力的共同作用使得PAN分子主链难以自由转动，不利于压电稳定性。此外，PAN纺丝液中的微凝胶现象一直是困扰相关研究人员的重要问题。研究发现，微凝胶含量增加，PAN溶液的拉伸强度和可纺性降低。常规共聚单体如衣康酸、丙烯酸酯等与丙烯腈共聚时，其竞聚率与丙烯腈差别较大，导致PAN分子链中共聚单体分布不均匀。
[0005]现有技术常用的其他耐高温聚合物普遍具有不能熔融或溶解，难以加工的局限性，难以制备成在高温条件下使用的柔性压电材料。

技术实现思路

[0006]基于上述内容，本专利技术提供一种柔性耐高温压电材料及其制备方法和应用，通过分子结构调控的技术，采用先成型后加工的工艺，选用含有偶极基团的芳环、芳杂环单体或能够形成梯形或半梯形结构的单体，通过单体的改性或二单体的引入，增加聚合物的易加工性，并进一步后加工处理得到具有梯形或半梯形结构的耐高温压电材料。本专利技术方法改善了以往耐高温聚合物不溶不熔，难以加工的问题，具有操作简单，制备周期短，成本较低的优点。本专利技术大幅度提高了聚合物压电输出效应，结合压电传感器件的制备工艺，可以满
足耐高温、高灵敏的柔性应用需要。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术技术方案之一，一种柔性耐高温压电材料，所述柔性耐高温压电材料为丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝纳米纤维膜、聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)静电纺丝纳米纤维膜或含氟聚酰亚胺静电纺丝纳米纤维膜中的一种；
[0009]所述柔性耐高温压电材料的纤维直径为50～300nm，优选的为150～250nm。
[0010]进一步地，所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝纳米纤维膜中丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物的结构式如下：
[0011][0012]上述结构式中，m＝50～100；n＝50～100。
[0013]所述聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)静电纺丝纳米纤维膜中聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)的结构式如下：
[0014][0015]上述结构式中，m＝50～100；n＝50～100。
[0016]进一步地，所述含氟聚酰亚胺静电纺丝纳米纤维膜中含氟聚酰亚胺的结构式为下列结构式中的一种：
[0017][0018][0019]上述结构式中，n＝50～100。
[0020]本专利技术技术方案之二，上述柔性耐高温压电材料的制备方法，包括以下步骤：
[0021]步骤1，将静电纺丝液进行静电纺丝，得到纤维膜；
[0022]步骤2，将所述纤维膜进行热处理，得到所述柔性耐高温压电材料；
[0023]所述静电纺丝具体为：纺丝流量0.5～1.5mL/h，辊筒转速300～1200rpm，纺丝距离10～20cm，纺丝电压15～24kV，纺丝时间2～8h；若纺丝流量过高会导致纤维内部出现“蛛网”缠结，若过低则导致纤维直径过细，因此优先选用纺丝流量为0.5～1.5mL/h，更优选的为1mL/h；若辊筒转速过快，会导致纤维被拉断，若辊筒转速过慢，则会导致纤维粘连，因此丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物优先选用辊筒转速为800rpm和1200rpm，聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)优先选用辊筒转速900rpm，含氟聚酰亚胺优先选用辊筒转速300rpm。
[0024]所述静电纺丝液为丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液、聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)
静电纺丝液或含氟聚酰亚胺静电纺丝液中的一种。
[0025]进一步地，所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液的制备方法包括以下步骤：
[0026]将丙烯腈、β
‑
衣康酸酯加入到水中混合均匀，使丙烯腈的单体浓度为15～40％；之后依次加入浓硫酸10～50mL、1～5％过硫酸钾10～50mL和5～10％硫代硫酸钠溶液2～10mL，在50～80℃温度下搅拌反应1～2h，之后过滤、洗涤、烘干，得到丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物；
[0027]将所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物加入到溶剂中40～60℃水浴搅拌6～12h，得到所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液；
[0028]所述β
‑
衣康酸酯占丙烯腈质量的1～5％；
[0029]所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液的固含量为10～15％，优先选用固含量为12％，若固含量过大，则会导致喷丝头堵塞，若固含量过低，则导致纤维无法成形。
[0030]所述溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺。
[0031]进一步地，所述聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)静本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性耐高温压电材料，其特征在于，所述柔性耐高温压电材料为丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝纳米纤维膜、聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)静电纺丝纳米纤维膜或含氟聚酰亚胺静电纺丝纳米纤维膜中的一种；所述柔性耐高温压电材料的纤维直径为50～300nm。2.根据权利要求1所述的柔性耐高温压电材料，其特征在于，所述含氟聚酰亚胺静电纺丝纳米纤维膜中含氟聚酰亚胺的结构式为下列结构式中的一种：上述结构式中，n＝50～100。3.一种权利要求1或2所述的柔性耐高温压电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将静电纺丝液进行静电纺丝，得到纤维膜；步骤2，将所述纤维膜进行热处理，得到所述柔性耐高温压电材料；所述静电纺丝具体为：纺丝流量0.5～1.5mL/h，辊筒转速300～1200rpm，纺丝距离10～20cm，纺丝电压15～24kV，纺丝时间2～8h；所述静电纺丝液为丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液、聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)静电纺丝液或含氟聚酰亚胺静电纺丝液中的一种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液的制备方法包括以下步骤：将丙烯腈、β
‑
衣康酸酯加入到水中混合均匀，使丙烯腈的单体浓度为15～40％；之后依次加入浓硫酸10～50mL、1～5％过硫酸钾10～50mL和5～10％硫代硫酸钠溶液2～10mL，在50～80℃温度下搅拌反应1～2h，之后过滤、洗涤、烘干，得到丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物；将所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物加入到溶剂中40～60℃水浴搅拌6～12h，得到所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液；所述β
‑
衣康酸酯占丙烯腈质量的1～5％；所述丙烯腈
‑
β
‑
衣康酸酯共聚物静电纺丝液的质量浓度为10～15％；所述溶剂为N,N
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二甲基甲酰胺。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)静电纺丝液的制备方法包括以下步骤：将2,6
‑
二氨基甲苯、1
‑
氢
‑
苯并咪唑
‑
2,5
‑
二胺加入到溶剂A中溶解，之后加入双酚A二酐在惰性气氛下搅拌反应4h～24h，反应结束后洗涤、烘干得到聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)；将所述聚(苯并咪唑
‑
酰亚胺)溶于溶剂B中，于50～80℃的温度下搅拌12～24h，得到所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王闻宇，李梦嘉，金欣，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：