一种皮芯结构高性能复合压电纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种皮芯结构的复合压电纤维材料及其制备方法；本发明专利技术先通过同轴纺丝工艺将聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种皮芯结构高性能复合压电纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于储能材料制备
，涉及一种压电材料的制备方法，特别涉及一种皮芯结构高性能复合压电纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]压电效应是指材料在受到外部应力作用时，在对应的表面上产生束缚电荷的现象。压电材料具备的机电转换功能使其在振动传感器、换能器、能量采集设备等领域有重要应用。然而，在目前主流的压电材料中，无机压电陶瓷虽然压电系数高，但刚度大，环境适应性差，而有机聚合物压电材料虽然柔性好，易形变，但压电系数低，压电输出弱。如何克服上述缺点，是新型压电材料研制过程中亟待解决的关键问题。
[0003]根据压电效应的基本公式，D＝dT，压电效应产生的电位移(D)与压电系数(d)和对应方向的应力(T)直接相关，而电位移则对应压电材料的表面电荷密度，要提升材料的压电性能，提升材料的压电系数是最直接的方法。目前，提高有机压电材料压电系数的方法主要是通过添加无机填料，形成有机
‑
无机复合压电材料来提升压电系数。(Su Y,Chen C,Pan H,et al.Muscle fibers inspired high
‑
performance piezoelectric textiles for wearable physiological monitoring[J].Advanced Functional Materials,2021,31(19):2010962.)但是，无机填料与聚合物基体的相容性通常较差，使材料质地变脆，降低使用的耐久度，往往需要对无机填料的表面进行额外的改性处理以改善其与聚合物基体的相容性，然而这些改性方法大多成本较高，步骤烦琐，不利于材料的规模化生产。(Shi K,Chai B,Zou H,et al.Interface induced performance enhancement in flexible BaTiO3/PVDF
‑
TrFE based piezoelectric nanogenerators[J].Nano Energy,2021,80:105515.)在本专利技术之前，尚未有通过同轴静电纺丝工艺制备的全有机压电聚合物纤维材料相较于原有的纯聚合物纤维能够实现高达100％以上的压电系数提升。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对目前有机压电材料压电系数低、压电输出弱的特点，提出了一种皮芯结构高性能复合压电纤维及其制备方法。本专利技术首次制备了全新的压电材料，具有优异的压电性能。首先，PC作为皮芯结构复合压电纤维的芯层，提升了纤维的弹性模量，使其在相同的形变量下可以产生更大的压电电压；同时，PC和PVDF
‑
TrFE的界面处会形成氢键相互作用，提升PVDF
‑
TrFE壳层的结晶度，进而提升压电系数。本专利技术以PVDF
‑
TrFE和PC两种聚合物材料来制备皮芯结构复合压电纤维。该专利技术具有较高的实用价值，是新型压电材料的可选发展方向。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术提供了一种具有高压电系数的皮芯结构复合压电纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将PVDF
‑
TrFE聚合物原料溶解于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，制备PVDF
‑
TrFE聚合物
纺丝溶液；将PC溶解于四氢呋喃中，制备PC聚合物纺丝溶液；
[0008]S2、将所述PVDF
‑
TrFE聚合物纺丝溶液和PC聚合物纺丝溶液进行同轴静电纺丝；
[0009]S3、使用覆盖有铝箔的滚筒收集步骤S2中制备的静电纺丝纤维，将铝箔揭下后得到完整的静电纺丝纤维膜。
[0010]本专利技术方法制备的皮芯结构复合压电纤维具有高达49.1pC N
‑1的高压电系数，且无需对原料进行前期的改性处理，可一步制备获得，具有规模化生产的潜能。并且制备得到的纤维膜带有铝箔衬底，对后续制备压电发电机器件十分便利。
[0011]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，PVDF
‑
TrFE聚合物纺丝溶液中PVDF
‑
TrFE的质量分数为16％～24％。在一些实施例中，PVDF
‑
TrFE聚合物纺丝溶液中PVDF
‑
TrFE的质量分数为20％。
[0012]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，PC聚合物纺丝溶液中PC的质量分数为16％～24％。在一些实施例中，PC聚合物纺丝溶液中PC的质量分数为20％。
[0013]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S1中，所述溶解是水浴加热至60℃～80℃并搅拌4～6小时使聚合物完全溶解形成澄清溶液。在一些实施例中，水浴加热至60℃并搅拌4小时。
[0014]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，PC聚合物纺丝溶液作为芯层纺丝液。
[0015]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，所述同轴静电纺丝使用装有同轴针头的注射器。
[0016]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，所述同轴静电纺丝选用的同轴针头规格为：18/14G～25/18G，对应的芯层针头内径为0.26～0.84mm，壳层针头内径为0.84～1.55mm。在一些实施例中，所述同轴针头规格为：25G/18G，对应的芯层针头内径为0.26mm，壳层针头内径为为0.86mm。
[0017]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S2中，静电纺丝过程的参数设置为，纺丝电压：15～22kV；纺丝速率：PVDF
‑
TrFE壳层的纺丝速率为0.5～0.9mL h
‑1,PC芯层的纺丝速率为0.1～0.3mL h
‑1。在一些实施例中，所述静电纺丝的工艺参数为，纺丝电压：18kV；纺丝速率：PVDF
‑
TrFE壳层的纺丝速率为0.7mL h
‑1,PC芯层的纺丝速率为0.3mL h
‑1。
[0018]作为本专利技术的一个实施方案，步骤S3中，滚筒收集器与纺丝针头的间距选取为15～20cm，滚筒收集器的转速保持为800～1200转/分钟。在一些实施例中，滚筒收集器与纺丝针头的间距保持为15cm，滚筒收集器的转速保持为1000转/分钟。
[0019]本专利技术提供了一种根据前述方法制备的皮芯结构复合压电纤维。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0021]1、静电纺丝技术制备的纤维膜具有优异的柔性，压电纤维材料可适用于处在各种应用场景下自供电器件，例如：可穿戴设备、电力设备监测、风能收集等。
[0022]2、皮芯结构复合压电纤维以PC作为硬质的芯层，提升纤维整体的弹性模量，与纯PVDF
‑
TrFE纤维相比，由于复合纤维模量更高，因此发生相同形变时需要更大的外力，使PVDF
‑
TrFE壳层产生更大的压电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高压电系数的皮芯结构复合压电纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将PVDF
‑
TrFE聚合物原料溶解于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，制备PVDF
‑
TrFE聚合物纺丝溶液；将PC溶解于四氢呋喃中，制备PC聚合物纺丝溶液；S2、将所述PVDF
‑
TrFE聚合物纺丝溶液和PC聚合物纺丝溶液进行同轴静电纺丝；S3、使用覆盖有铝箔的滚筒收集步骤S2中制备的静电纺丝纤维，将铝箔揭下后得到完整的静电纺丝纤维膜。2.根据权利要求1所述的皮芯结构复合压电纤维的制备方法，其特征在于，PVDF
‑
TrFE聚合物纺丝溶液中PVDF
‑
TrFE的质量分数为16％～24％。3.根据权利要求1所述的皮芯结构复合压电纤维的制备方法，其特征在于，PC聚合物纺丝溶液中PC的质量分数为16％～24％。4.根据权利要求1所述的皮芯结构复合压电纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述溶解是水浴加热至60℃～80℃并搅拌4～...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄兴溢，柴彬，王劭菁，徐鹏，徐湘忆，
申请(专利权)人：国网上海市电力公司，
类型：发明
国别省市：