CN105671685A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明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，所述单纤维以导电纤维为芯层，以压电聚合物纳米纤维为皮层。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，同时在其外延架设了一个同轴的漏斗型辅助接受装置。本发明的制备方法简单。本发明的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。

Description

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
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；
(2)本发明的制备方法简单，通过原位极化的方法，一步法即可得到具有高压电相的，并自带一个电极的压电单纤维，同时可通过改变纺丝的一些参数，来调控压电单纤维的性能。
附图说明
图1为实施例1中皮芯单纤维的电子显微照片；其中，插图为放大图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
纺丝液为10％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推进速度设定为1ml/h，电压发生器输出电压设为15kV，用直径为0.4mm的铜丝作为接收极进行静电纺实验，得到皮层厚度为50μm。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.1mm左右，纳米纤维之间贴合较紧密，从电子显微镜照片(图1)中可知，聚合物纳米纤维包裹紧致密实，聚合物纳米纤维粗细较均匀，沿金属丝轴向排列取向度高，且基本无捻度。其在轴向的各个角度具有相同的压电性能，单位长度纤维的瞬时压电输出峰值为5V/m·N。
实施例2
纺丝液为12％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推进速度设定为0.8ml/h，电压发生器输出电压设为18kV，用直径为1mm的铜丝作为接收极进行静电纺实验。得到皮层厚度为65μm，聚合物纤维直径为1μm。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.2mm，纳米纤维之间贴合十分紧密，聚合物纳米纤维包裹紧致密实，聚合物纳米纤维粗细较均匀，沿金属丝轴向排列取向度高。其在轴向的各个角度具有相同的压电性能，单位长度纤维的瞬时压电输出峰值为12V/m·N。
实施例3
纺丝液为8％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推进速度设定为1.5ml/h，电压发生器输出电压设为15kV，用直径为0.1mm的碳纤维作为接收极进行静电纺实验。得到皮层厚度为40μm，聚合物纤维直径为800nm。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.4mm，纳米纤维之间贴合十分紧密，聚合物纳米纤维包裹紧致密实，聚合物纳米纤维粗细较均匀，沿金属丝轴向排列取向度高。其在轴向的各个角度具有相同的压电性能，单位长度纤维的瞬时压电输出峰值为15V/m·N。
实施例4
纺丝液为8％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推进速度设定为1.5ml/h，电压发生器输出电压设为15kV，用直径为2mm的碳纤维作为接收极进行静电纺实验。得到皮层厚度为45μm，聚合物纤维直径为800nm。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.3mm，纳米纤维之间贴合十分紧密，聚合物纳米纤维包裹紧致密实，聚合物纳米纤维粗细较均匀，沿金属丝轴向排列取向度高，同时纳米纤维具有捻度。其在轴向的各个角度具有相同的压电性能，单位长度纤维的瞬时压电输出峰值为14V/m·N。
实施例5
纺丝液为10％的PAN/DMF溶液，推进速度设定为1ml/h，电压发生器输出电压设为12kV，用直径为0.1mm的碳纤维作为接收极进行静电纺实验。得到皮层厚度为55μm，聚合物纤维直径为700nm。
得到均匀的皮芯结构复合单纤维，纤维皮层厚度为0.5mm，纳米纤维之间贴合比较蓬松，聚合物纳米纤维包裹较松散，形成一个具有松散结构的中间含有空隙的聚合物纳米纤维皮层，聚合物纳米纤维粗细较均匀，沿金属丝轴向具有一定的取向度。其在轴向的各个角度具有相同的压电性能，单位长度纤维的瞬时压电输出峰值为4V/m·N。

Claims (9)

1.一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，其特征在于，所述导电纤维为圆形截面，直径为0.001～2mm。
3.根据权利要求2所述的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，其特征在于，所述压电聚合物中掺杂氧化锌、硫化锌、钛酸钡或锆钛酸铅。
6.根据权利要求1所述的一种具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维，其特征在于，所述压电聚合物纳米纤维的直径为10～5000nm，厚度为0.1μm～2mm。
7.一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。
8.根据权利要求7所述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，其特征在于，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。
9.一种如权利要求1所述的具有轴向等效压电性能的静电纺皮芯单纤维的应用，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。
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