PVDF自供能材料设计合成及其即时供电与拉曼增强应用研究
发布时间：2021-04-08 16:41
通过新材料将环境中的能量转换为电能,并利用这种“即时电能”构建功能体系,是开发新材料并应对环境能源危机的新思路。本文利用基于聚偏氟乙烯（PVDF）的柔性压电薄膜材料,设计并构建自供能功能材料体系,将生活环境中的能量转换为“即时电能”,实现了其作为即时电源在力致发光和灵敏检测方面的应用。（1）采用同时增强光热转换和热释电转换的策略,利用聚乙烯亚胺（PEI）改性的氧化石墨烯（rGO-PEI）作为光热层和极化PVDF（β相约91.4%）作为热释电层,设计制备了高性能的光热型-热释电发电材料（rGO-PEI/PVDF）。密度泛函理论（DFT）模拟结果表明,PEI对GO的改性增强了材料的吸光性能（优于普通商业化石墨烯）,有利于光热转换;在太阳光震荡频率为25 mHz时,rGO-PEI/PVDF的输出功率高达21.3 mW/m2,优于先前的报道。进一步,通过对材料进行简单的“可穿戴式”设计,可实现全天候发电及即时供电应用。（2）采用自极化的理念,以硫化锌电致发光粉和聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）压电材料作为原料,通过水相分离法,设计制备了一种高效的ZnS/自极化PV...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
PVDFα、β、γ相链构象示意图[22]
3TrFE-CTFE)。1.2.2.1PVDF的二元共聚物目前，PVDF-HFP、PVDF-TrFE和PVDF-CTFE是几种较为常见的PVDF二元共聚物。这些共聚物的许多性质（压电性、介电性、柔性等）有别于PVDF。(1)PVDF-HFPPVDF-HFP是通过不同比例的偏氟乙烯(VDF)与六氟丙烯(HFP)单体利用乳液聚合的方式制备而来，如图1-2所示。图1-2PVDF-HFP聚合反应示意图PVDF-HFP的分子链结构与PVDF相类似，但其性质会受HFP链段的影响。[24]共聚物中HFP的含量在很大程度上影响材料在室温下的形态。当HFP的含量较低时（约5%），PVDF-HFP聚合物呈现为塑料的玻璃态；当含量在20%时，聚合物则呈现为弹性体形态。HFP的含量除了对材料的机械性及和热性能有影响,还对材料的驻极体和铁电性能影响很大。与PVDF相比，PVDF-HFP具有较好的铁电特性。此外，PVDF-HFP中引入了HFP，提高了F原子的含量，使PVDF-HFP具有更高的疏水性。目前PVDF-HFP基的材料在压电器件和锂离子电池的聚电解质领域有广泛的应用。(2)PVDF-TrFEPVDF-TrFE是用聚偏氟乙烯(VDF)和三氟乙烯(TrFE)通过直接聚合或利用聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-CTFE)氢化还原法制备生成，反应如下图所示。与PVDF相比，PVDF-TrFE具有许多优点[25-30]，如较高的压电系数[31]、较好的结晶度、较高的残余极化率和较高的温度稳定性[32,33]。PVDF-TrFE也是目前研究和应用最广泛的一种铁电聚合物[34,35]。PVDF-TrFE的性能与其制备参数密切相关。当PVDF在聚合中的比例在50%-80%范围内时，PVDF-TrFE共聚物中的结构为全反式相构型，因而具有良好的铁电性，压电系数d33可达到pCN1
4的数量级[36,37]。但PVDF-TrFE性质与其形成的方式，如熔融结晶、溶液结晶等没有必然联系。值得注意的是，因三氟乙烯中氟原子的直径略大于氢原子。所以，在氟取代氢后由于空间位阻的作用，PVDF-TrFE的分子结构更倾向于全反式的TTT构型（图1-4）[38]。PVDF-TrFE可以通过高能量电子辐射，实现铁电体向弛豫铁电体的转化，从而可提高共聚物的机电响应性能[39]。此外，PVDF-TrFE也具有优异的热释电性能，其热释电系数高达≈200μCm-2k-1[7]，可用于废弃热能的收集。图1-3PVDF-TrFE合成示意图图1-4PVDF-TrFE的不同构象示意图[38](3)PVDF-CTFE
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于类比法的短生命周期产品需求扩散预测研究[J]. 唐中君,吴凡. 科技促进发展. 2019(08)
[2]PVDF微滤膜的制备、改性及其血液净化应用初探[J]. 李孟岩,鞠佳,谢磊,李蕾蕾,孙然,杨磊,魏文诗. 辽宁石油化工大学学报. 2019(04)
[3]无机粒子改性聚偏氟乙烯超滤膜的研究进展[J]. 狄莹莹,安舒云,任鹏刚. 合成纤维. 2019(02)
[4]柔性压电纳米发电机研究进展[J]. 张光杰,丁一. 新材料产业. 2017(07)
[5]铁电高分子PVDF及其共聚物研究进展[J]. 张玲玲,国世上. 物理学进展. 2016(02)
[6]偏氟乙烯/三氟氯乙烯共聚物的合成及其微观结构[J]. 李衡峰,岳春波,边宏. 中南大学学报(自然科学版). 2009(02)
[7]ZnO/PVDF压电复合材料的制备及性能[J]. 陈飞,胡南,丁恩勇,杨治中. 高分子材料科学与工程. 2007(01)
[8]新型铁电共聚物——偏氟乙烯-六氟丙烯的研究[J]. 王飞鹏,夏钟福,邱勋林. 材料导报. 2006(03)
硕士论文
[1]聚偏氟乙烯及其与三氟乙烯共聚物薄膜的结晶形貌研究[D]. 沈杰.宁波大学 2009
本文编号：3125887
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
PVDFα、β、γ相链构象示意图[22]
3TrFE-CTFE)。1.2.2.1PVDF的二元共聚物目前，PVDF-HFP、PVDF-TrFE和PVDF-CTFE是几种较为常见的PVDF二元共聚物。这些共聚物的许多性质（压电性、介电性、柔性等）有别于PVDF。(1)PVDF-HFPPVDF-HFP是通过不同比例的偏氟乙烯(VDF)与六氟丙烯(HFP)单体利用乳液聚合的方式制备而来，如图1-2所示。图1-2PVDF-HFP聚合反应示意图PVDF-HFP的分子链结构与PVDF相类似，但其性质会受HFP链段的影响。[24]共聚物中HFP的含量在很大程度上影响材料在室温下的形态。当HFP的含量较低时（约5%），PVDF-HFP聚合物呈现为塑料的玻璃态；当含量在20%时，聚合物则呈现为弹性体形态。HFP的含量除了对材料的机械性及和热性能有影响,还对材料的驻极体和铁电性能影响很大。与PVDF相比，PVDF-HFP具有较好的铁电特性。此外，PVDF-HFP中引入了HFP，提高了F原子的含量，使PVDF-HFP具有更高的疏水性。目前PVDF-HFP基的材料在压电器件和锂离子电池的聚电解质领域有广泛的应用。(2)PVDF-TrFEPVDF-TrFE是用聚偏氟乙烯(VDF)和三氟乙烯(TrFE)通过直接聚合或利用聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-CTFE)氢化还原法制备生成，反应如下图所示。与PVDF相比，PVDF-TrFE具有许多优点[25-30]，如较高的压电系数[31]、较好的结晶度、较高的残余极化率和较高的温度稳定性[32,33]。PVDF-TrFE也是目前研究和应用最广泛的一种铁电聚合物[34,35]。PVDF-TrFE的性能与其制备参数密切相关。当PVDF在聚合中的比例在50%-80%范围内时，PVDF-TrFE共聚物中的结构为全反式相构型，因而具有良好的铁电性，压电系数d33可达到pCN1
4的数量级[36,37]。但PVDF-TrFE性质与其形成的方式，如熔融结晶、溶液结晶等没有必然联系。值得注意的是，因三氟乙烯中氟原子的直径略大于氢原子。所以，在氟取代氢后由于空间位阻的作用，PVDF-TrFE的分子结构更倾向于全反式的TTT构型（图1-4）[38]。PVDF-TrFE可以通过高能量电子辐射，实现铁电体向弛豫铁电体的转化，从而可提高共聚物的机电响应性能[39]。此外，PVDF-TrFE也具有优异的热释电性能，其热释电系数高达≈200μCm-2k-1[7]，可用于废弃热能的收集。图1-3PVDF-TrFE合成示意图图1-4PVDF-TrFE的不同构象示意图[38](3)PVDF-CTFE
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于类比法的短生命周期产品需求扩散预测研究[J]. 唐中君,吴凡. 科技促进发展. 2019(08)
[2]PVDF微滤膜的制备、改性及其血液净化应用初探[J]. 李孟岩,鞠佳,谢磊,李蕾蕾,孙然,杨磊,魏文诗. 辽宁石油化工大学学报. 2019(04)
[3]无机粒子改性聚偏氟乙烯超滤膜的研究进展[J]. 狄莹莹,安舒云,任鹏刚. 合成纤维. 2019(02)
[4]柔性压电纳米发电机研究进展[J]. 张光杰,丁一. 新材料产业. 2017(07)
[5]铁电高分子PVDF及其共聚物研究进展[J]. 张玲玲,国世上. 物理学进展. 2016(02)
[6]偏氟乙烯/三氟氯乙烯共聚物的合成及其微观结构[J]. 李衡峰,岳春波,边宏. 中南大学学报(自然科学版). 2009(02)
[7]ZnO/PVDF压电复合材料的制备及性能[J]. 陈飞,胡南,丁恩勇,杨治中. 高分子材料科学与工程. 2007(01)
[8]新型铁电共聚物——偏氟乙烯-六氟丙烯的研究[J]. 王飞鹏,夏钟福,邱勋林. 材料导报. 2006(03)
硕士论文
[1]聚偏氟乙烯及其与三氟乙烯共聚物薄膜的结晶形貌研究[D]. 沈杰.宁波大学 2009
本文编号：3125887
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