[发明专利]一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于单纤维及其制备方法领域，特别涉及一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮 芯单纤维及其制备方法和应用。

背景技术

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，其中压电聚 合物弥补了前两者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。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。

静电纺丝法是制备压电聚合物纳米纤维的常见的原位极化的方法，有设备简单，易于操 作且所得纤维稳定等优点，一般情况下，负极的接受极板为垂直于射流的金属板，具有一定 转速的辊筒，或是液体接收极，同时传统的静电纺一般设定接收距离较长，以使得纺丝液有 足够的时间凝固，这样由于静电纺射流存在不稳定扰动，使得最终所得的纳米纤维以无序或 具有一定取向的无纺布毡形式存在，大大限制了纳米纤维的应用领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维及其 制备方法和应用，该制备方法简单；该单纤维具有轴向等效的压电性能，在过滤、催化、能 量转换、药物负载以及传感器等方面有很好的应用前景。

本发明的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，所述纤维以导电纤维为芯层， 以压电聚合物纳米纤维为皮层；其中，压电聚合物的极化方向垂直于导电纤维轴向方向。

所述导电纤维为圆形截面，直径为0.001～2mm。

所述导电纤维的材质为碳，铜、铁、金、银、铅、锡、铝、镍、锌或金属合金。

所述压电聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯和聚丙烯腈中至少一种及几种 的共聚物。

所述压电聚合物中掺杂氧化锌、硫化锌、钛酸钡或锆钛酸铅。

所述压电聚合物纳米纤维的直径为10～5000nm，厚度为0.1μm～2mm。

所述皮层截面由纳米纤维堆叠而成的圆环形，由制备条件以及设备参数的不同，其皮层 微观形态不同，包括纳米纤维的表面粗糙程度，纳米纤维的直径，取向及蓬松程度。皮层聚 合物在其纤维轴向上具有相同的压电性，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。

所述单纤维在轴向上具有等效的压电性。

所述单纤维中由于每一根压电聚合物纳米纤维的极化方向均为垂直于导电纤维轴向方 向，因此当给予纤维垂直轴向方向压力时，导电芯层可输出电压，其电压与外界压力的大小 和受力纤维的长度有关。

本发明的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维的制备方法，包括：

纺丝液为压电聚合物溶液，用导电纤维作为接收极进行静电纺，得到具有轴等效压电性 能的静电纺皮芯单纤维；其中，静电纺的负极接收端为一根与负极相连的导电纤维，同时在 负极接收端外延架设了一个同轴的漏斗型辅助接收装置。

所述纺丝液的质量分数为8％～12％，推进速度为0.8～1.5ml/h，电压发生器输出电压为 12～18kV。

所述压电聚合物溶液的溶剂为DMF。

所述单纤维应用于过滤、催化、能量转换、药物负载以及传感器。

本发明主要通过改变负极接收端的接收装置，将接受装置改变为一根与负极相连的导电 纤维，同时在其外延架设了一个同轴的一定规格的漏斗型辅助接受装置，再通过调整静电纺 过程中的其他参数，制备出了一种以导电纤维为芯层，以压电聚合物纳米纤维为皮层的皮芯 单纤维，由于每一根压电聚合物纳米纤维的极化方向均为垂直于导电纤维轴向方向，当给予 纤维垂直轴向方向的一定压力时，导电芯层可输出一定的电压，其电压与外界压力的大小和 受力纤维的长度有关，在过滤、催化、能量转换、药物负载以及传感器等方面有很好的应用 前景。

有益效果

(1)本发明的单纤维轴向等效的压电性能，单位长度纤维的瞬时压电输出峰值为 4～15V/m·N，在过滤、催化、能量转换、药物负载以及传感器等方面有很好的应用前景；