[发明专利]压电聚合物元件及其制备方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及诸如纤维或膜的压电聚合物元件。本发明还涉及形成压电聚合物元件的方法和形成压电聚合物元件的装置。本发明进一步涉及包括导电层和压电聚合物纤维的压电构造和并入该压电构造的能量转换系统。

背景技术

压电材料已广泛地用于多种应用中。已经进行了若干尝试将它们用在发电领域，使用陶瓷压电材料取得很小的成功。自从1969年在聚合物中发现压电性以来，已经报道了多种应用类研究。聚合物现在是众所周知的具有约35PC/N的电荷位移系数d₃₃的压电材料的候选。聚合物和聚合物共混物容易熔融挤出成薄膜或纤维。它们具有相对低的熔融温度(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF)在约175℃时熔融)，从而使它们比陶瓷更容易处理。表现出高压电行为的柔韧的聚合物的可利用性，再加上我们对可再生能源的需求增加，使得现在使用压电材料产生电能成为引人关注的选择。

关于作为压电材料的聚合物的以前的工作已经报道了在薄膜或块样品中的发展。聚合物纤维可具有多种潜在的应用，例如传感器、驱动器和能量采集(energy scavenging)装置。当上述纤维以两维结构例如纺织品的形式，或以一维结构例如绳的形式使用时，新能源采集应用的潜力是巨大的。可能的能量采集纺织品应用可包括用于从风、雨、潮和波收集机械能用于产生电能的结构。

以前的工作包括对使用宏观纤维复合材料(MFC)的能量收集技术的概念的证明。在该工作中使用的MFC是压电锆钛酸铅(PZT)纤维的复合材料。由于PZT纤维不柔韧，需要将它们制备成用作能量采集压电材料的复合材料。另一方面，聚合物纤维是柔韧的，并且能在制备复合材料以及两维复合材料结构和三维复合材料结构中使用。因此，它们可用于更广泛的应用中，特别是如果比压电陶瓷可更具成本效益地生产它们。

以前的工作已包括用于制备多层构造中的压电共聚物纤维的复杂的多阶段过程。然而，该制备方法复杂，并且需要不能容易地组合成流线型连续生产过程的很多个加工阶段。

发明内容

因此，本发明实施方式的目的是提供一种具有简单结构的改进的压电聚合物元件，例如纤维或膜。本发明实施方式的另一目的是提供一种通过连续过程生产该压电聚合物元件的改进的方法。本发明实施方式进一步的目的是提供一种利用该改进的方法生产压电聚合物元件的装置。本发明实施方式进一步的目的是提供一种包括该改进的压电聚合物元件用于将机械能转换成电能的压电构造，并提供一种包括该压电构造的能量转换系统。

根据本发明的第一方面，提供一种形成压电聚合物元件的方法，包括挤出聚合物材料并同时使挤出材料的部分极化的步骤。

这可提供方便的形成过程，因为挤出和极化同时进行。

优选上述元件是纤维。或者，上述元件是膜。

上述元件优选由聚合物粒料的进料挤出。该粒料可包括聚偏二氟乙烯、聚丙烯或聚乙烯。该粒料可包括具有分散的压电陶瓷颗粒的聚合物。该压电陶瓷颗粒可以是PZT或PMT-PT。

上述元件优选从熔融挤出机中挤出。该熔融挤出机可将聚合物在进料螺杆处保持在比其熔点高的第一温度，并可将聚合物在挤出模头处保持在更高的第二温度。在优选的实施方式中，所述第一温度可比熔点高20℃，并且所述第二温度可比熔点高30℃。

挤出的元件可通过鼓风机冷却。在极化前可将该部分拉伸横跨一个或多个冷却辊。

在极化前可将部分拉伸横跨一个或多个加热辊。该部分可优选加热至高于其玻璃化转变温度并且低于其熔融温度的温度。该部分可加热至60℃和90℃之间。更优选，该部分可加热至基本70℃。

该部分在极化前优选在超过其屈服应力的拉力下拉伸以使所述部分塑性延伸。该部分可塑性延伸至达到至少2∶1的伸长比。更优选该伸长比可以是至少3∶1。更优选该伸长比可以是至少4∶1。更优选该伸长比基本上是4∶1。有利的是，在极化前该部分在挤出后立即可延伸至达到其起始厚度的四分之一的厚度。

极化包括横跨所述部分施加电场。优选上述电场可以在0.5MV/m和1.5MV/m之间。更优选上述电场可以在1.0MV/m和1.3MV/m之间。在一种实施方式中，电场基本可以是1MV/m。

根据本发明的第二方面，提供一种用于形成压电聚合物元件的装置，该装置包括用于由粒状进料挤出所述聚合物元件的挤出机和用于在挤出所述元件的同时横跨所述元件的部分施加电场的一对电极。