[发明专利]一种聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法，尤其涉及一种通过离子液体和碳纳米管的协同作用获得高β晶型含量的聚偏氟乙烯复合材料及其制备方法。

二、背景技术

PVDF(聚偏氟乙烯)压电材料是一类对力、电、声、光、热等敏感的功能材料，能够实现机械能与电能之间的相互转换，因此广泛应用于工业部门和高科技领域。与传统的压电材料相比，PVDF压电材料具有以下特点：1.比重小，频响应好，特别适用于做电声材料。用此材料研制的微音器，具有结构简单、耐水性好、小型化的特点，成为一种很有发展前途的微音器。2.通频带宽，机械Q值低，而且其声阻抗率和超声传播速度与水和人体组织比较接近，可用于制作医用超声换能器和水听器。我国配合国外单位研发的PVDF压电薄膜水听器，其性能经海上实验证明优于传统的压电陶瓷水听器。3.柔软，质轻，与人体表面接触不会给人带来不适感，并且机械阻抗与人体匹配，可用于制作医疗诊断的传感器，如脉像仪等，在临床诊断、连续脉像监护及科研教学方面均可使用。

然而，PVDF的压电性等独特性质完全是由极性的β晶型所决定的，这主要取决于β-PVDF中所有的F原子都排列在分子链的同一侧，呈现出zig-zag的构象，进而显示出非常强的极性，为压电性提供了必要条件。目前，得到PVDF的β晶型的方法主要有三类：溶液法，机械拉伸法和纳米填料加入法。溶液法是通过选择PVDF的良溶剂，将PVDF在特定的温度下结晶出来；此法得到的是α晶型和β晶型的混合相，且β晶型的含量并不高；除此之外，从溶液中得到的PVDF晶体薄膜显示出多孔、易碎而无法实际应用的缺点。机械拉伸法是将以α晶型为主相的PVDF在特定拉伸温度和合适拉伸比的条件下进行机械单轴或双轴拉伸，以此诱导α晶型向β晶型转变。此法实验条件繁琐，并且最终得到的β晶型在高温下不稳定。目前，研究最为广泛且是最有效的方法是纳米填料加入法。无论是溶液结晶还是熔融共混，在PVDF的体系中加入适当的纳米填料都能够有效地实现α晶型向β晶型转变，例如蒙脱土、二氧化硅、石墨烯、碳纳米纤维以及碳纳米管等纳米填料的使用。研究发现，这些填料的加入虽然有效地获得了β晶型的PVDF，但是其含量并不是很高，而且通常高含量β晶型的获得需要高含量的填料，这无疑增加了聚合物基体中纳米填料分散性以及材料本身加工性的困难。综上所述，当前这些得到β-PVDF的方法存在许多缺陷，因而在技术推广和工业应用两方面都受到了制约。

三、发明内容

本发明所需解决的技术问题在于利用简单的方法实现在PVDF熔体结晶时大量生成具有压电性和热电性的β晶型，从而克服普通PVDF熔体结晶几乎全部为非极性α晶体，需要后续机械拉伸或者其他后处理的缺点。同时，本发明制备的PVDF复合材料，还具有碳纳米管在其中分散均匀，PVDF结晶速度快，成型周期短等优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种聚偏氟乙烯复合材料，所述聚偏氟乙烯复合材料包括以下组分：聚偏氟乙烯基体和改性碳纳米管，所述改性碳纳米管由碳纳米管经离子液体包覆得到，通常可由碳纳米管与离子液体经过机械研磨或超声波分散进行包覆；所述各组分组成为：聚偏氟乙烯基体与改性碳纳米管的质量比为100：0~12，所述离子液体与碳纳米管的质量比为0~10：1。

本发明所述聚偏氟乙烯复合材料包括以下组分：聚偏氟乙烯基体和改性碳纳米管，是指聚偏氟乙烯复合材料主要由聚偏氟乙烯基体和改性碳纳米管组成，聚偏氟乙烯基体和改性碳纳米管是聚偏氟乙烯复合材料必不可少的主要的两种组成成份，只有这两种成份也可以，但是也允许聚偏氟乙烯复合材料中还含有一些对主要功能没有影响的添加剂。

进一步，本发明所述聚偏氟乙烯复合材料优选由聚偏氟乙烯复合材料由聚偏氟乙烯基体和改性碳纳米管组成。

本发明所述离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，进一步，所述离子液体通式为A⁺B^-型，其中A⁺为如式I或式II所示：

式I或式II中：R₅~R₇各自独立为C1~C16的烷基；

B^-为F^-、Cl^-、Br^-、I^-、四氟硼酸根或六氟磷酸根。