一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压电材料及其制备领域，特别涉及一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前常见的压电材料主要分为压电陶瓷、压电半导体和压电聚合物三大类，前两类压电材料属无机材料，具有压电效率高，性能稳定的特点，但其缺点也十分明显，可塑性差，生物相容性差，一些还带有重金属等有毒物质，因而不能被广泛地应用在各个领域。而压电聚合物就弥补了无机压电材料的一些不足，它具有很好的生物相容性，且易于加工，质轻，是一种新型的压电材料。
[0003]在加工压电聚合物方面，目前一种常用的方法是通过静电纺丝法，将压电聚合物纺成由一定直径的纳米纤维构成的无纺布毡，由于在纺丝过程中已经进行了极化，所以就免去了后极化过程，再将此无纺布进行封装，加入两个电极，即可得到具有压电性能的纳米发电机，这种方法的优点在于设备简单，制备工序简单，无须后极化过程等。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法，本发明通过静电纺丝，将压电聚合物纺在金属丝上，使压电聚合物直接包覆在金属丝上，金属丝在封装过程中直接充当一个电极，提高了纳米发电机的精细化和发电效率。
[0005]本发明的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维，所述纤维由导电金属丝芯层和压电聚合物皮层组成，其中芯层截面为圆形，金属丝直径为0.05-lmm ;皮层截面为圆环形，厚度为0.0lmm?1_之间。
[0006]所述导电金属丝为铜、铁、镍、锌、金、银、铅、锡、铝及其合金中的一种。
[0007]本发明的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，包括:
[0008]将聚合物溶解在溶剂中，得到质量分数为1%?20%静电纺丝溶液，然后进行静电纺丝，使得聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，挥发，即得压电聚合物/金属复合纳米单纤维。
[0009]所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯及其共聚物中的一种或几种。
[0010]所述溶剂为二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、丙酮中的一种或几种。
[0011]所述静电纺丝溶液中含有压电增强材料，压电增强材料的质量百分浓度为0.00 ?2.
[0012]所述压电增强材料为钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌、石英、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨、松香、氯化钴、氯化亚铁、氯化铜、氯化锡、氯化锰、氯化铁中的一种或几种。
[0013]所述静电纺丝的工艺参数为:电压:5?30kV ;接收距离?30cm ;挤出速度:0.01 ?5ml/h。
[0014]所述聚合物纳米纤维的直径为50?400nm。
[0015]在O?80°C的通风环境下，放置24?72h，使残留在聚合物中的溶剂完全挥发。
[0016]皮层截面为圆环形，厚度为0.0lmm?Imm之间，皮层由聚合物纳米纤维交织而成，因条件不同，其皮层微观形态不同，纳米纤维的直径(50?400nm)，取向及蓬松程度都有所不同。皮层聚合物具有一定的压电性，压电性能有其本身的性质以及掺杂其他无机物或有机物所决定。
[0017]压电增强材料的掺入量为0.00?0.5%，物质的掺入或能提高聚合物的压电性能，或者这些物质本身具有一定的压电性能，此外还有些掺入物能增加聚合物纳米纤维的整体压电性能。
[0018]有益效果
[0019]本发明通过静电纺丝，将压电聚合物纺在金属丝上，使压电聚合物直接包覆在金属丝上，金属丝在封装过程中直接充当一个电极，提高了纳米发电机的精细化和发电效率，在传感器、医疗、能量转换方面都有很高的发展前景。
【附图说明】
[0020]图1为压电聚合物/金属复合纳米单纤维的示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0022]实施例1
[0023]称取六水氯化铁100 μπιο?，将其溶解在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，使其完全溶解；然后称取2g聚偏氟乙烯溶解于上述溶液中，并在75°C下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为:电压:8kV ;接收距离:25cm ;挤出速度:1.0ml/h。最后将所得复合纤维放置在25°C通风环境下48小时制备完成。
[0024]所得复合电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维具有良好的贴合性，贴合比较紧密，厚度均匀，颜色略带黄色，具有良好的压电性能，压电电压为0.12V/cm。
[0025]实施例2
[0026]称取二水氯化铜58.3 μπιο?，将其溶解在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，使其完全溶解；然后称取2g聚偏氟乙烯溶解于上述溶液中，并在75°C下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为:电压:15kV ;接收距离:15cm ;挤出速度:1.5ml/h。最后将所得复合纤维放置在25°C通风环境下48小时制备完成。
[0027]所得复合压电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维具有良好的贴合性，贴合比较紧密，厚度均匀，颜色略带蓝绿色，具有良好的压电性能，压电电压为0.09V/cm。
[0028]实施例3
[0029]称取聚偏氟乙烯1.6g，将其溶解在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，在75°C下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为:电压:20kV ;接收距离:20cm ;挤出速度:0.5ml/ho最后将所得复合纤维放置在25°C通风环境下48小时制备完成。
[0030]所得复合压电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维贴合性较差，皮层纤维较细，且结构蓬松，厚度均匀，压电电压为0.04V/cm。
[0031]实施例4
[0032]称取单壁碳纳米管0.02g，将其分散在10.8g DMF和7.2g丙酮的复配溶液中，使其分散均匀；然后称取2g聚偏氟乙烯溶解于上述溶液中，并在75°C下进行加热溶解，得到均匀、透明的溶液，然后将溶液进行静电纺丝过程，将聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，静电纺工艺参数为:电压:8kV ;接收距离:4cm ;挤出速度:0.2ml/ho最后将所得复合纤维放置在25°C通风环境下72小时制备完成。
[0033]所得复合压电纤维中，芯层铜丝和皮层聚偏氟乙烯纤维具有良好的贴合性，贴合比较紧密，厚度均匀，颜色为白色，纳米纤维略有变粗，具有良好的压电性能，压电电压为0.15V/cm。
【主权项】
1.一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维，其特征在于:所述纤维由导电金属丝芯层和压电聚合物皮层组成，其中芯层截面为圆形，金属丝直径为0.05-lmm ;皮层截面为圆环形，厚度为0.0lmm?1_之间。
2.根据权利要求1所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维，其特征在于:所述导电金属丝为铜、铁、镍、锌、金、银、铅、锡、铝及其合金中的一种。
3.—种如权利要求1所述的压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，包括:将聚合物溶解在溶剂中，得到质量分数为1%?20%静电纺丝溶液，然后进行静电纺丝，使得聚合物纳米纤维包覆在金属丝表面，挥发，即得压电聚合物/金属复合纳米单纤维。
4.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯及其共聚物中的一种或几种。
5.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述溶剂为二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、丙酮中的一种或几种。
6.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述静电纺丝溶液中含有压电增强材料，压电增强材料的质量百分浓度为0.00?2.
7.根据权利要求6所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述压电增强材料为钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌、石英、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨、松香、氯化钴、氯化亚铁、氯化铜、氯化锡、氯化锰、氯化铁中的一种或几种。
8.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述静电纺丝的工艺参数为:电压:5?30kV ;接收距离:1?30cm ;挤出速度:.0.01 ?5ml/h。
9.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述聚合物纳米纤维的直径为50?400nm。
10.根据权利要求3所述的一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维的制备方法，其特征在于:所述挥发为:在O?80°C的通风环境下，放置24?72h。
【专利摘要】本发明涉及一种压电聚合物/金属复合纳米单纤维及其制备方法，纤维由导电金属丝芯层和压电聚合物皮层所组成，其制备步骤包括，首先将聚合物溶解在单一或复配溶剂中，然后通过静电纺丝将溶液喷在金属丝表面，使其包覆一层聚合物纳米纤维皮层，最后将所得纤维在室温静置待溶剂挥发，即得。本发明通过静电纺丝，将压电聚合物纺在金属丝上，使压电聚合物直接包覆在金属丝上，金属丝在封装过程中直接充当一个电极，提高了纳米发电机的精细化和发电效率，在传感器、医疗、能量转换方面都有很高的发展前景。
【IPC分类】D01F8-18, D01D5-00, D01F1-10, D01F8-10
【公开号】CN104790064
【申请号】CN201510171061
【发明人】俞昊, 俞彬
【申请人】东华大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月10日