一种片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种阻尼材料及其制备方法，特别是涉及一种片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料及其制备方法。

背景技术：

阻尼材料是一种能吸收振动机械能并将其转化成其他形式能损失掉的新型功能材料。各种阻尼材料已广泛的应用于汽车、舰船、飞机、导弹等众多领域。由于粘弹性阻尼材料在受到外力作用时，其内部的分子链运动、内摩擦力以及大分子链之间物理键的不断破坏与再生必然吸收大量的振动能量，使之变成热能损耗掉，因此粘弹性阻尼材料通常具有较好的阻尼效果。

但是对于传统的粘弹性阻尼材料来说，要提升材料的阻尼效果就必须使更多的机械振动能转变为热能。然而粘弹性材料通常都是热的不良导体，且耐热性均较差，由阻尼作用所产生的大量热将会使材料的性能大幅下降，甚至给使用带来严重后果，因此具有全新的能量转换途径的新一代阻尼材料，具有十分广阔的应用前景。在能量转换途径方面，目前研究最活跃的领域是将机械振动能转换为电能，其中许多无机类材料如锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡等虽然具有优良的压电性，但由于其自身阻尼性能较差且刚性较大，所以很难用在阻尼材料中。而在高分子材料中压电性是最好的是聚偏氟乙烯（PVDF），由于其声阻低，可与液体很好的配合，且质地柔软、耐腐蚀性好，在医疗及声波探测等领域有广泛的应用。Mohajir等研究了PVDF在熔融状态下，从其它相转化为β相的制备工艺。张宇洁等人采用超声波分散法制备了PVDF/多壁碳纳米管(MWCNT)复合材料，实验结果表明MWCNTs的引入导致其压电常数（d33）和屈服强度的提高。中国专利CN103102623A公开了一种将PVDF与咪唑/吡啶类离子液体混合来制备透明抗静电的聚偏氟乙烯压电材料的方法，该方法制备的共混材料具有良好的抗静电效果和优异的透明性。中国专利CN103980638A公开一种核/壳结构锌粒子/PVDF电介质及其制备方法，该方法可以通过控制ZnO厚度来改善聚合物的介电常数，并降低介电损耗，但并未考察该材料压电性能方面的变化。由此可见，目前对于PVDF的研究主要集中在其自身及其复合共混体系的电性能提升，主要包括介电性能，导电性能以及压电性能，而将其作为阻尼材料却鲜有研究，并且如何有效的利用其压电性来提升阻尼效果更是一个亟待解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料及其制备方法，本发明的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料提供了一种将机械振动能变为电能再利用来的新途径，使其不但具有较好的压电性，还具有良好的阻尼效果和机械性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料，该材料由质量分数为5%~30%经偶联剂处理后的片状ZnO和70%~95%的PVDF所组成；片状ZnO为边长0.5～6μm，厚度0.1～1μm的类六边型片状粉末；偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、双-（γ-三乙氧基硅基丙基）四硫化物、十七氟癸基三甲氧基硅烷、硬脂酸中的一种；偶联剂用量为片状ZnO质量的0.1~5%。

一种片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料制备方法，所述方法具体包括以下步骤：

（1）片状ZnO的制备：将0.1mol/L的六亚甲基四胺和醋酸锌溶液以体积比为1:1的比例进行混合，保持反应温度为80～90℃，并控制体系的pH值在8～9之间，反应5～10小时；反应后的产物经离心机分离，并利用丙酮和水洗涤分别冲洗3遍后，60～70℃条件下烘干3～8小时，制得片状ZnO；

（2）片状ZnO的预处理：将占片状ZnO质量0.1~10%的偶联剂溶解在大量的丙酮溶液中，然后将制得的片状ZnO放入该含有偶联剂的丙酮溶液中，在20~35kHz频率条件下，超声分散0.5～1小时，然后再将分散产物60℃条件下烘干12小时，制得经偶联剂处理后的片状ZnO；

（3）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的制备：首先在20～30℃条件下将PVDF溶解在溶剂中，然后逐渐将经偶联剂处理后的片状ZnO加入到含有PVDF的溶液中，并且剧烈搅拌，混合均匀后，将其倒入带有排气装置的模具中，并在120～160℃，20MPa条件下热压0.5～2小时；

（4）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的极化处理：将热压后的产物进行喷金处理，干燥后放入80～110℃的硅油中进行极化，极化电场强度为5～10kV/mm，极化时间为10～30分钟，得到极化后的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料。

所述的一种片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料制备方法，所述的溶剂为乙醇、丙酮、二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的一种。

本发明的优点与效果是：

本发明的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料，不但在一定程度上克服了传统阻尼材料由于减振生热而产生的性能下降，还提供了一种将机械振动能变为电能再利用来的新途径。片状氧化锌的加入使PVDF的压电性得以提高，而由于PVDF自身的粘弹特性使其不但具有较好的压电性，还具有良好的阻尼效果和机械性能。此外该方法产品性能稳定，易工业化生产，可广泛用于制备桥梁、汽车、船舶的减振制品及吸波防腐涂料等。

附图说明

图1为本发明的制备流程图；

图2为本发明片状ZnO制备的化学反应方程式；

图3为本发明片状ZnO的扫描电镜图；

图4为本发明掺杂了片状ZnO的PVDF的扫描电镜图；

图5为本发明片状ZnO含量对压电阻尼材料阻尼性能的影响图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

下面参照图1和图2对本发明进行详细说明。

实施例1

（1）片状ZnO的制备：首先分别配置浓度均为0.1mol/L的六亚甲基四胺和醋酸锌溶液200ml，然后在加有温度计和搅拌桨的500ml三口烧瓶中，分别加入以上两种溶液各100ml，升温至85℃，并控制反应体系的pH值保持在8.5，反应8小时。反应后将产物利用离心机在10000r/min条件下分离10分钟，之后将反应器底部的产物用丙酮和纯净水分别冲洗3遍后，放入70℃的鼓风烘箱中，烘干5小时，制得120g片状ZnO。

（2）片状ZnO的预处理：将0.5g的偶联剂十七氟癸基三甲氧基硅烷溶解在300ml的丙酮溶液中，然后将制得的10g的片状ZnO放入该含有偶联剂的丙酮溶液中，在20kHz频率条件下，超声波分散1小时，然后再将分散产物放入60℃的鼓风烘箱中烘干12小时，制得经偶联剂处理后的片状ZnO。

（3）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的制备：首先在30℃条件下将90g的PVDF溶解在500ml乙醇溶液中，然后逐渐将10g经偶联剂处理后的片状ZnO加入到含有PVDF的溶液中，并且剧烈搅拌，混合均匀后，将其倒入预置有排气孔的模具中，最后将模具置于在平板硫化机上130℃，20MPa条件下热压1小时。

（4）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的极化处理：将热压后的产物进行在离子喷溅仪上喷金处理0.5小时，干燥后放入90℃的硅油中进行极化，极化电场强度为10kV/mm，极化时间为20分钟，得到极化后的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料。

实施例2

（1）片状ZnO的制备：首先分别配置浓度均为0.1mol/L的六亚甲基四胺和醋酸锌溶液200ml，然后在加有温度计和搅拌桨的500ml三口烧瓶中，分别加入以上两种溶液各100ml，升温至85℃，并控制反应体系的pH值保持8.5，反应10小时。然后将产物利用离心机在10000r/min条件下分离10分钟，之后将反应器底部的产物用丙酮和纯净水分别冲洗3遍后，放入70℃的鼓风烘箱中，烘干3小时，制得126g片状ZnO。

（2）片状ZnO的预处理：将0.75g的偶联剂十七氟癸基三甲氧基硅烷溶解在300ml的丙酮溶液中，然后将制得的15g片状ZnO放入该含有偶联剂的丙酮溶液中，在35kHz频率条件下，超声波分散1小时，然后再将分散产物放入60℃的鼓风烘箱中烘干12小时，制得经偶联剂处理后的片状ZnO。

（3）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的制备：首先在25℃条件下将85g的PVDF溶解在500ml乙醇溶液中，然后逐渐将15g经偶联剂处理后的片状ZnO加入到含有PVDF的溶液中，并且剧烈搅拌，混合均匀后，将其倒入预置有排气孔的模具中，最后将模具置于在平板硫化机上160℃，20MPa条件下热压0.5小时。

（4）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的极化处理：将热压后的产物进行在离子喷溅仪上喷金处理0.5小时，干燥后放入100℃的硅油中进行极化，极化电场强度为8kV/mm，极化时间为20分钟，得到极化后的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料。

实施例3

（1）片状ZnO的制备：首先分别配置浓度均为0.1mol/L的六亚甲基四胺和醋酸锌溶液200ml，然后在加有温度计和搅拌桨的500ml三口烧瓶中，分别加入以上两种溶液各100ml，升温至80℃，并控制反应体系的pH值保持在8，反应10小时。然后将产物利用离心机在10000r/min条件下分离10分钟，之后将反应器底部的产物用丙酮和纯净水分别冲洗3遍后，放入60℃的鼓风烘箱中，烘干6小时，制得115g片状ZnO。

（2）片状ZnO的预处理：将1g的偶联剂十七氟癸基三甲氧基硅烷溶解在300ml的丙酮溶液中，然后将制得的20g片状ZnO放入该含有偶联剂的丙酮溶液中，在20kHz频率条件下，超声波分散1小时，然后再将分散产物放入60℃的鼓风烘箱中烘干12小时，制得经偶联剂处理后的片状ZnO。

（3）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的制备：首先在30℃条件下将80g的PVDF溶解在500ml乙醇溶液中，然后逐渐将20g经偶联剂处理后的片状ZnO加入到含有PVDF的溶液中，并且剧烈搅拌，混合均匀后，将其倒入预置有排气孔的模具中，最后将模具置于在平板硫化机上120℃，20MPa条件下热压1小时。

（4）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的极化处理：将热压后的产物进行在离子喷溅仪上喷金处理0.5小时，干燥后放入90℃的硅油中进行极化，极化电场强度为5kV/mm^-1，极化时间为20分钟，得到极化后的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料。

实施例4

（1）片状ZnO的制备：首先分别配置浓度均为0.1mol/L的六亚甲基四胺和醋酸锌溶液200ml，然后在加有温度计和搅拌桨的500ml三口烧瓶中，分别加入以上两种溶液各100ml，升温至80℃，并控制反应体系的pH值保持在8，反应10小时。然后将产物利用离心机在10000r/min条件下分离10分钟，之后将反应器底部的产物用丙酮和纯净水分别冲洗3遍后，放入60℃的鼓风烘箱中，烘干6小时，制得115g片状ZnO。

（2）片状ZnO的预处理：将1.25g的偶联剂十七氟癸基三甲氧基硅烷溶解在300ml的丙酮溶液中，然后将制得的25g片状ZnO放入该含有偶联剂的丙酮溶液中，在20kHz频率条件下，超声波分散1小时，然后再将分散产物放入60℃的鼓风烘箱中烘干12小时，制得经偶联剂处理后的片状ZnO。

（3）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的制备：首先在30℃条件下将80g的PVDF溶解在500ml乙醇溶液中，然后逐渐将25g经偶联剂处理后的片状ZnO加入到含有PVDF的溶液中，并且剧烈搅拌，混合均匀后，将其倒入预置有排气孔的模具中，最后将模具置于在平板硫化机上120℃，20MPa条件下热压1小时。

（4）片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料的极化处理：将热压后的产物进行在离子喷溅仪上喷金处理0.5小时，干燥后放入90℃的硅油中进行极化，极化电场强度为5kV/mm^-1，极化时间为20分钟，得到极化后的片状ZnO掺杂PVDF压电阻尼材料。

对比例

（1）不含片状ZnO的PVDF压电阻尼材料的制备：首先在30℃条件下将100g的PVDF溶解在500ml乙醇溶液中，并且剧烈搅拌，混合均匀后，将其倒入预置有排气孔的模具中，最后将模具置于在平板硫化机上120℃，20MPa条件下热压1小时。

（2）不含片状ZnO的PVDF压电阻尼材料的极化处理：将热压后的产物进行在离子喷溅仪上喷金处理0.5小时，干燥后放入110℃的硅油中进行极化，极化电场强度为100kV/mm^-1，极化时间为20分钟，得到极化后的PVDF压电阻尼材料。

实施例1～4与对比例的性能对比见表1，可以看出随着片状ZnO含量的增高压电阻尼材料的压电常数d33随之升高，并且损耗因子tanδ也随之升高，说明该阻尼材料阻尼性能提升的同时材料的压电性能也得以提升。而且通过力学性能测试可以看出，片状ZnO对材料的抗拉强度也有明显的改善作用，在片状氧化锌含量达到20%时，材料的拉伸强度达到了25MPa，同时材料的压电常数为25，损耗因子也达到了0.26，说明片状ZnO的加入对材料的阻尼性能和压电性能均有改善的效果。

表1 PVDF和片状ZnO含量对压电阻尼材料性能的影响

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