【技术实现步骤摘要】
本公开涉及能源与传感，具体提供一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法。
技术介绍
1、这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
2、随着人工智能和物联网的发展，对小型传感器的需求及部署规模增长很快。这些设备需要小型能源为其提供驱动力。以可穿戴设备和路面传感设备为例，传统的电池或电网供能模式会使设备在无信号的等待期间消耗大量电能，同时需对电池进行定期维护带来不便，而电网供能使设备丧失部署的灵活性并限制其应用。以高分子压电设备作为能源，能够收集周围物体的运动（如人体关节的运动、脚踩到地面或车压过路面引起的振动等）并将其转化为电能，以此为驱动力实现就地获得能源，避免更换电池或布置电网的麻烦。压电装置可作为无源传感器，感应周围物体的运动和压力，避免传统的（如：电阻式）传感器需要长时间通电 进行信号的捕集，具有自供电和节能的优势，带动绿色低碳 传感器和物联网器件的普及推广。压电装置能收集和利用环境中物体的运动的能量，减少了能源消耗，降低了发电厂的二氧化碳（co2）排放量。
3、聚偏氟乙烯（pvdf）等高分子可用于制备柔性压电功能膜，其原理是分子构象中碳-氟键沿同一方向排布（形成β相）在外界压力产生和释放时膜的上下电极产生感应电场和感生电荷，使外电路有电流通过。加入压电系数更高的钛酸钡（batio3）等无机压电材料能进一步提高压电器件的输出电流和输出功率，同时不失柔韧性并便于部署。高分子柔性压电器件的推广应该用可以节能降碳、减少污染物排放和温室气体排放。柔性压电器件可以作为新能源用于物联网
4、现有的柔性压电器件通常采用铝箔等无孔的金属电极，并采用塑料薄膜对整个器件进行封装，所以无法通透水气。极差的水气通透性大大降低了作为可穿戴器件使用时的舒适感。采用带孔的金属箔作为电极，会出现金属箔易腐蚀、易疲劳损伤的问题，损害压电器件的耐久性。本专利将 高分子溶解于有机溶剂配制成溶液，通过静电纺丝制备成多孔纤维毡作为压电功能膜。上下两面缝合碳 布作为正负电极，组装成压电功能器件。本方法使器件具有良好的水气通透性，有助于提高可穿戴器件的舒适性。这些压电器件也可以作为自供能压力传感器，用于道路上车流量的实时检测、室内地面物体运动的实时检测、人体关节运动或睡眠活动的监测等传感领域，促进社会向信息化、智能化方向的转变，为人民群众提供医疗服务、信息服务和生活便利，对促进绿色低碳具有良好的示范和带动作用。
技术实现思路
1、针对现有压电器件制备技术中封装导致透水气性能差的问题，以及采用带孔金属电极所引起的易腐蚀、耐久性差的问题。本公开的一个或一些实施方式中，提供一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，包括如下步骤：1）将压电高分子、无机压电粉末溶解于有机溶剂中，得到纺丝溶液；
2、2）将溶液静电纺丝得到多孔纤维毡；
3、3）将纤维毡夹在两层碳纤维布之间，用线沿着纤维空隙缝合得到柔性压电器件；
4、其中步骤1）、2）、3）的次序不可替换。
5、上述技术方案中的一个或一些技术方案具有如下优点或有益效果：
6、1）本公开的压电器件制备方法中，采用具有多孔结构的碳纤维布，便于水气通透，而且纤维之间的空隙便于针线穿过，从而将上下两层电极和中间的压电层牢固地组装在一起形成压电器件，无需使用粘接材料或薄膜封装，使器件能够保留水气通透性。
7、2）本公开的压电器件的制备方法具有无需金属材料的优点，采用碳纤维布具有很好的抗酸、碱、盐和氧化能力，能够避免在使用过程中发生腐蚀等问题而提高材料的耐久性和使用寿命。不含金属以及透水气性能，提高了其作为可穿戴器件时的舒适性。
8、实施方式
9、下面将对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本公开的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
10、针对现有柔性压电器件的制备技术中需要封装导致水气无法通透的问题，以及使用金属膜电极导致易腐蚀、耐久性差的问题。本公开的一个或一些实施方式中，提供一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，将压电高分子溶液静电纺丝得到多孔纤维毡，然后将纤维毡夹在两层碳纤维布之间，用线缝合得到柔性压电器件。从而使压电器件具有良好的柔性、水气通透性、耐久性和使用寿命。
11、本公开部分实施例中主要采用pvdf及其共聚物作为压电高分子，但应当理解的是，其与非压电高分子共纺或者掺入其他高分子也可以作为柔性压电层，使用其制备的压电器件均应当属于本公开保护的范围。
12、本公开的一个或一些实施方式中，提供一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，包括如下步骤：1）将压电高分子、无机压电粉末溶解于有机溶剂中，得到纺丝溶液；
13、2）将溶液静电纺丝得到多孔纤维毡；
14、3）将纤维毡夹在两层碳纤维布之间，用线沿着纤维空隙缝合得到柔性压电器件；
15、其中步骤1）、2）、3）的次序不可替换。
16、步骤1）中，所述纺丝溶液含有压电高分子、有机溶剂、无机压电粉末；其中，压电高分子的质量分数为10%～25%，无机压电粉末的质量分数为0%～10%。
17、步骤1）中，所述压电高分子为聚偏氟乙烯（pvdf）、聚偏氟乙烯 -三氟乙烯共聚物（pvdf-trfe)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（pvdf-hfp）、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物（pvdf-trfe-ctfe）中的至少一种。
18、步骤1）中，所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺（dmf）、n,n-二甲基乙酰胺（dmac）中的至少一种与丙酮的混合溶剂，其中丙酮体积分数为0～40%。
19、步骤1）中，所述无机压电粉末为钛酸钡（batio3）、钛酸铅（pbtio3）、锆钛酸铅（pzt）中的至少一种。
20、步骤2）中，所述静电纺丝采用的直流静电压为10～30 kv，纺丝针头为正极且纺丝收集器为负极接地，纺丝针头到纺丝收集器的距离为10～20 cm，纺丝溶液在针头处的推进速度为0.5～2 ml/h，纺丝时间为3～20 h。
21、步骤2）中，所述纤维毡由纺丝针头喷出的纤维随机落到收集器表面形成的多层纤维结构，纺丝结束后从收集器表面揭下，其纤维直径在0.1～10 微米。
22、步骤3）中，所述碳纤维布由碳纤维沿单向或网格状编织而成；碳纤维单向布的相邻碳纤维之间空隙为1～5 mm且上下本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：柔性压电器件不含有金属材料，对水气具有良好的通透性。
2.如权利要求1所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：采用碳纤维布取代金属电极提高材料的耐久性和使用寿命，使用多孔的纺丝纤维毡和多孔的碳纤维布以实现良好的水气通透性，采用绝缘线从碳纤维之间的空隙穿过将器件缝合从而无需使用粘接材料或薄膜封装。
3.一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1）将压电高分子、无机压电粉末溶解于有机溶剂中，得到纺丝溶液；
4.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述纺丝溶液含有压电高分子、有机溶剂、无机压电粉末，其中压电高分子的质量分数为10%～25%，无极压电粉末的质量分数为0%～10%。
5.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述压电高分子为聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯 -三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚
6.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中的至少一种与丙酮的混合溶剂，其中丙酮体积分数为0～40%。
7.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述所述无机压电粉末为钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅（PZT）中的至少一种。
8.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述静电纺丝采用的直流静电压为10～30 kV，纺丝针头为正极且纺丝收集器为负极接地，纺丝针头到纺丝收集器的距离为10～20 cm，纺丝溶液在针头处的推进速度为0.5～2 ml/h，纺丝时间为3～20 h。
9.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述碳纤维布由碳纤维沿单向或网格状编织而成；碳纤维单向布的相邻碳纤维之间空隙为1～5 mm且上下两层电极的碳纤维垂直取向；碳纤维网格布的网孔边长为2～5 mm且下两层电极的网孔对齐，以便缝合时不损伤碳纤维。
10.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述线的直径小于碳纤维布的网孔边长或碳纤维之间空隙，线的表面电导率大于200 MΩ/cm。
...【技术特征摘要】
1.一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：柔性压电器件不含有金属材料，对水气具有良好的通透性。
2.如权利要求1所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：采用碳纤维布取代金属电极提高材料的耐久性和使用寿命，使用多孔的纺丝纤维毡和多孔的碳纤维布以实现良好的水气通透性，采用绝缘线从碳纤维之间的空隙穿过将器件缝合从而无需使用粘接材料或薄膜封装。
3.一种透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1）将压电高分子、无机压电粉末溶解于有机溶剂中，得到纺丝溶液；
4.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述纺丝溶液含有压电高分子、有机溶剂、无机压电粉末，其中压电高分子的质量分数为10%～25%，无极压电粉末的质量分数为0%～10%。
5.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述压电高分子为聚偏氟乙烯（pvdf）、聚偏氟乙烯 -三氟乙烯共聚物（pvdf-trfe)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（pvdf-hfp）、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物（pvdf-trfe-ctfe）中的至少一种。
6.如权利要求3所述的透水气且不含金属的柔性压电器件的制备方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：张迪，冯锐，孙大川，任祥，张彬彬，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：
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