[发明专利]具有高压电性能的压电聚合物纤维膜及其制备方法

说明书

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种具有高压电性能的压电聚合物纤维膜材料及其制备方法。一种压电聚合物基纤维膜的制备方法，所述制备方法为：先将压电聚合物在溶剂中溶解制得聚合物混合液；然后将聚合物混合液通过静电纺丝法制得压电聚合物基纤维膜，所述静电纺丝法中，使用液体为接收介质；其中，所述液体介质为不溶解压电聚合物却与压电聚合物的溶剂互溶的溶剂。本发明提供一种新型的压电聚合物纤维膜的制备方法，利用多场耦合实现高压电性能和大能量输出功率的压电聚合物纤维膜材料的加工制备，其可用在压力传感和能量收集器件方面。

技术领域

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种具有高压电性能的压电聚合物纤维膜材料及其制备方法。

背景技术

随着物联网科技的发展、人工智能技术的进步，以及智慧医疗与智慧健康概念的普及，基于聚合物材料的柔性压力传感器越来越受关注，而且市场占有额逐年飙升。与电阻型和电容式压力传感器相比较，具有能量收集功能的压电型柔性压力传感器件，由于响应速度快和信号线性度好、且具有低功耗甚至无功耗的特点，在柔性可穿戴电子器件以及智能传感设备方面的应用前景更为广阔，其应用需求与日俱增。虽然压电陶瓷的压电系数更高，但是压电聚合物材料具有更低的密度、更优异的可加工性、以及良好的力学柔性和弹性，因此更适合于上述应用情景。

目前，市场上的压电聚合物材料主要基于具有最高压电系数的含氟压电聚合物（如聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，以及聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物）及其它高分子与压电陶瓷的复合材料。但是，为了实现良好的压电性能，具有压电性能的聚合物复合材料中压电陶瓷的填充含量都相对较高（30 vol. %），这会导致聚合物复合材料力学性能的严重恶化，同时材料的密度也显著增加。因此，单纯的聚合物压电材料相对而言更加切合上述应用情景。

目前，压电聚合物材料的制备方法主要有：1）采用机械拉伸实现非极性相向β相转变，然后借助电场极化作用使β晶相中的偶极子呈定向排列，实现压电性能的提升；2）使用静电纺丝一步法加工制备含氟压电聚合物纤维或者纤维膜。相对而言，这两种方法被工业界认可和采用（如法国的阿克玛公司采用第一种方法制备压电PVDF薄膜）。这些制备方法采用拉伸场或电场调控压电活性相的制备及偶极子的定向排列，但通常制备的薄膜压电性能相对有限。造成这一现象的主要原因主要有两点：1）聚合物中压电相晶体的含量相对较低；2）含氟聚合物分子偶极的取向不够高。

而对于实际应用而言，压电材料的压电性能十分重要，不仅对信号信噪比的调节有帮助，还能实现高的能量收集功率。由于压电聚合物与压电陶瓷相比，压电系数通常只有后者的十分之一甚至更低，因此十分有必要提升压电聚合物材料的压电系数和压电性能。

目前，绝大部分研究工作解决以上问题的思路都是尝试使用纳米粒子来促进PVDF或者其它含氟聚合物结晶时的异相成核，并借助机械热拉伸处理或者借助纳米受限作用促使其形成β晶体。同时，采用电场极化来促进偶极子的极化或者静电纺丝制备具有压电性能的纤维或者薄膜材料。尽管上述方法对于制备压电聚合物材料具有一定的效果，但是实际的压电性能往往不够高，同时容易夹杂着由于摩擦起电产生的信号。

发明内容

针对现有技术存在的不足与局限性，本发明提供一种新型的压电聚合物纤维膜的制备方法，利用多场耦合实现高压电性能和大能量输出功率的压电聚合物纤维膜材料的加工制备，其可用在压力传感和能量收集器件方面。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种压电聚合物基纤维膜的制备方法，所述制备方法为：先将压电聚合物在溶剂中溶解制得聚合物混合液；然后将聚合物混合液通过静电纺丝法制得压电聚合物基纤维膜，所述静电纺丝法中，使用液体为接收介质；其中，所述液体介质为不溶解压电聚合物却与压电聚合物的溶剂互溶的溶剂。

进一步，所述压电聚合物为含氟压电聚合物、聚丙烯腈、聚乳酸、奇数尼龙、聚酰亚胺或丝素蛋白。