近电场打印高β结晶的PVDF压电薄膜

发布时间：2020-06-12 06:43

【摘要】：压电高聚物由于其优良的压电和热电性能以及低成本、良好的柔韧性和高的化学稳定性,广泛地用于制作高精度传感器、驱动器位移器等电子元器件。高β晶的PVDF压电薄膜具有频响宽、机械性能强度高、力电转换灵敏度高等特点,具有很高的研究与应用价值。为寻求进一步促进PVDF压电β相生成与转变的方法,本文采用近电场打印聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)压电薄膜,探究打印液中PVDF浓度、添加多壁碳纳米管(MWCNTs)和石墨烯(GR)以及电场分布情况对PVDF压电薄膜β相转变的影响。研究结果表明:(1)当打印液中PVDF浓度在12wt%～16wt%较低浓度范围内,PVDF压电薄膜结晶度、β相相对含量F(β)以及薄膜β相总含量均随着PVDF浓度的升高而提升。而当PVDF浓度为16wt%～22wt%较高范围时,PVDF压电薄膜的结晶度、F(β)以及薄膜β相总含量趋于稳定,此时浓度不再是主要影响因素。当PVDF浓度高于22wt%时,由于打印液粘度过大,无法正常出丝,打印无法顺利进行。(2)片层结构的GR不会像MWCNTs一样由于浓度的提升而彼此缠绕,GR具有比MWCNTs更大的比表面积,能够更容易降低引导PVDF分子在其表面结晶的位垒,并且电荷在层状GR的表面积聚,使得相邻的石墨烯片之间产生弱电场,促进PVDF分子链有序取向生长,使得β相的转变更易发生,其作用效果优于MWCNTs。(3)使用COMSOL Multiphysics 5.3a建立五种近电场简化打印模型,结合实际打印情况优选出模型1、模型2、模型5三种不同电场作用模式,其中模型5对应的电场强度较强,分布最为均匀,最高可达6.31×10~5V/m,最小值为5.11×10~5V/m。(4)在最优均匀电场和添加GR的共同作用下,PVDF/GR压电薄膜的结晶度为58.53%,F(β)达88.13%,β相总含量为51.58%,高于非均匀电场下PVDF/GR压电薄膜的β相总含量(47.27%),且薄膜电压灵敏度和输出电压V_(P-P)值最优,频率灵敏度较好。
【图文】：

分子链,构型,β晶,α晶

图 1.1 PVDF 分子链构型Fig. 1.1 Molecular chain configuration of PVDF发现，在一定温度的拉伸过程中 PVDF 会发生晶型的转化，PVD下或经退火处理也可制备β晶。Satyanarayana K C 等[43]研究发晶体没有应变时，需要垂直于 PVDF 分子轴的较大电场诱导（至少能实现α-到β-PVDF 相转变。然而，当应变为 1.0475（即当晶体被时，α-PVDF 转变为β-PVDF 结构。Nakamura 等[44]研究表明，α球晶伸的聚偏氟乙烯初始膜中，而拉伸使球晶转变成β片晶。杨兵初等着退火温度的升高，PVDF 薄膜β晶相的比例升高，而α晶相比例有温度为 80℃时β晶相比例为 41.7%，α晶相比例为 42.2%。退火温β晶相比例为 44.8%，α晶相比例为 35.3%。马松原等[46]研究表明当00 MPa 时，聚偏氟乙烯/碳量子点复合材料主要生成球晶结构，当为 500 MPa 时，则其材料生成大量取向的β晶体。

表面形貌,静电纺丝法,滚桶,聚偏氟乙烯

复合膜的断裂应力和弹性模量分别提高了 4.5～16 倍和 17.5～37 倍。Yuan Jiang等人[81]采用静电纺丝法制备了含银纳米粒子的聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维毡，施加电压 20kV，针尖和接收器之间的距离为 20cm，设定流速 1mL/h。扫描电子显微镜显示，纳米纤维的直径在 100 到 300 纳米之间。Xiong Xi 等人[82]采用静电纺丝法制备了含 30%二氧化硅的聚偏氟乙烯（PVDF）/二氧化硅纳米复合膜，滚筒在距离针尖 15 厘米处作为旋转收集器放置。电压保持在 20kV，溶液流速为1mL/125min。用场发射扫描电镜观察纤维形态，平均纤维直径约为 0.3μm。静电纺丝法制备 PVDF 压电薄膜往往需要比较高的电压（8～20kV），针头到滚桶收集器之间距离较长（15～40cm），射流出现鞭动现象明显。并且通过滚桶接收得到的 PVDF 压电薄膜中的 PVDF 纤维之间互相缠绕，，排列杂乱无序，成膜的尺寸、厚度等参数都无法控制，膜表面质量差，表面形貌如图 1.2（a）所示[83]。虽然纤维丝中β晶含量可以得到较大幅度的提高，但薄膜是丝与丝以无序（a）（b）
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TB383.2

【参考文献】