CN109576900A - 一种提升复合材料压电性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升复合材料压电性能的方法，包括如下步骤：S1、通过溶剂热法制备氧化锌纳米棒状粉末；S2、将氧化锌纳米棒粉末分散到PVDF溶液中制备成纺丝溶液；S3、将制备的纺丝溶液通过静电纺丝装置制备成复合纤维丝；S4、将复合纤维丝制备成复合纤维膜；S5、以复合纤维膜为压电层，封装制备成压电器组件，并测试其压电性。本发明通过氧化锌纳米棒粉末的设计有效提高了PVDF的压电β相；且本发明中的氧化锌纳米棒也能在复合材料中提供一定的压电性，使得制备的复合材料的压电性显著提高。

Description

一种提升复合材料压电性能的方法
技术领域
本发明属于压电发电技术领域，更具体地说，尤其涉及一种提升复合材料压电性能的方法。
背景技术
目前，随着环境污染、全球变暖现象的不断增加，需求可持续能源迫在眉睫，其中柔性压电材料因能够有效地把人们生活中的机械能转变成电能引起了极大关注。而作为柔性压电材料的代表，PVDF(聚偏氟乙烯)被广泛研究。目前提升PVDF压电性的方法主要是将无机填料与PVDF通过静电纺丝的方法复合，通过利用无机填料的成核性来增加PVDF的压电β相，这种方法是单方面提升PVDF压电性，提升效果有限。
现有的一种通过颗粒状的氧化锌纳米作为填料的方法，其压电性能较低。针对现有技术存在的问题，研究发现，在静电纺丝过程中，ZnO纳米棒不仅能诱导PVDF分子链取向形成更多的压电β相(最高含量是90.7％)，而且在压电测试过程中，氧化锌纳米棒材料因比氧化锌纳米颗粒材料更易形变，所以又能进一步提供更多的压电性。因此本发明通过将具有压电性的无机氧化锌纳米棒作为压电填料与PVDF静电纺复合从而提出一种能有效提升复合材料压电性能的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种提升复合材料压电性能的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提升复合材料压电性能的方法，包括如下步骤：
S1、通过溶剂热法制备氧化锌纳米棒状粉末；
S2、将氧化锌纳米棒粉末分散到PVDF溶液中制备成纺丝溶液；
S3、将制备的纺丝溶液通过静电纺丝装置制备成复合纤维丝；
S4、将复合纤维丝制备成复合纤维膜；
S5、以复合纤维膜为压电层，封装制备成压电器组件，并测试其压电性。
优选的，所述氧化锌纳米棒状粉末的长度范围为500-1000nm，且所述氧化锌纳米棒状粉末的直径范围为50-90nm。
优选的，所述S1中提到的溶剂热法所使用的反应试剂包括有Zn(NO3)·6H2O,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水。
优选的，所述S2中提到的PVDF(聚偏氟乙烯)溶液中所使用的溶剂为DMF和丙酮，且DMF和丙酮两者的质量比为1：1。
优选的，所述S3中提到的静电纺丝装置包括有注射管、旋转接收滚筒、以及高压电源，所述注射管的一端安装有便于注射纺丝溶液的注射泵，所述注射管的另一端连通有便于喷吐复合纤维纺丝的针头，所述高压电源的正负极分别通过导线与针头和旋转接收滚筒电性连接。
优选的，所述高压电源通过导线与旋转接收滚筒的电性连接点上安装有电刷，且所述电刷安装在旋转接收滚筒的一端导电轴上。
优选的，所述注射管固定在夹具上，所述注射管的一端与注射泵上水平移动的电动滑块接触，且注射管的另一端与软管连通。
优选的，所述针头竖直设置在旋转接收滚筒的正上方。
优选的，所述S5中提到的压电器组件包括有复合纤维膜，所述复合纤维膜的两侧分别固定连接有作为导电电极的导电片，且所述导电片的外侧设置有起到保护作用便于进行过塑封装的PET膜层。
优选的，在所述S4中，将复合纤维丝旋转接收制备成取向复合纤维膜。
本发明的技术效果和优点：本发明提供的一种提升复合材料压电性能的方法，
1、本发明通过氧化锌纳米棒粉末的设计有效提高了PVDF的压电β相；
2、且本发明中的氧化锌纳米棒也能在复合材料中提供一定的压电性，使得制备的复合材料的压电性显著提高。
附图说明
图1为本发明静电纺丝装置的结构示意图；
图2为本发明压电器组件的结构示意图；
图3为本发明纯PVDF(即0％氧化锌纳米棒)含量下压电性测试图；
图4为本发明1％氧化锌纳米棒含量下压电性测试图；
图5为本发明5％氧化锌纳米棒含量下压电性测试图；
图6为本发明10％氧化锌纳米棒含量下压电性测试图。
图中：1 PET膜层、2导电片、3复合纤维膜、4注射泵、5注射管、6针头、7复合纤维纺丝、8旋转接收滚筒、9高压电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种提升复合材料压电性能的方法，包括如下步骤：
S1、通过溶剂热法制备氧化锌纳米棒状粉末；所述氧化锌纳米棒状粉末的长度为500nm，且所述氧化锌纳米棒状粉末的直径为50nm；所述溶剂热法所使用的反应试剂包括有Zn(NO3)·6H2O,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水；
S2、将氧化锌纳米棒粉末分散到PVDF溶液中制备成纺丝溶液；所述PVDF(聚偏氟乙烯)溶液中所使用的溶剂为DMF和丙酮，且DMF和丙酮两者的质量比为1：1；
S3、将制备的纺丝溶液通过静电纺丝装置制备成复合纤维丝；所述静电纺丝装置包括有注射管5、旋转接收滚筒8、以及高压电源9，所述注射管5的一端安装有便于注射纺丝溶液的注射泵4，所述注射管5的另一端连通有便于喷吐复合纤维纺丝7的针头6，所述高压电源9的正负极分别通过导线与针头6和旋转接收滚筒8电性连接；所述高压电源9通过导线与旋转接收滚筒8的电性连接点上安装有电刷，且所述电刷安装在旋转接收滚筒8的一端导电轴上；所述注射管5固定在夹具上，所述注射管5的一端与注射泵4上水平移动的电动滑块接触，且注射管5的另一端与软管连通，所述针头6竖直设置在旋转接收滚筒8的正上方；
S4、将复合纤维丝制备成复合纤维膜，将复合纤维丝旋转接收制备成取向复合纤维膜；
S5、以复合纤维膜为压电层，封装制备成压电器组件，并测试其压电性(采用弯曲的拨动方式测得的压电性)；所述压电器组件包括有复合纤维膜3，所述复合纤维膜3的两侧分别固定连接有作为导电电极的导电片2，且所述导电片2的外侧设置有起到保护作用便于进行过塑封装的PET膜层1。
实施例2
一种提升复合材料压电性能的方法，包括如下步骤：
S1、通过溶剂热法制备氧化锌纳米棒状粉末；所述氧化锌纳米棒状粉末的长度为830nm，且所述氧化锌纳米棒状粉末的直径为70nm；所述溶剂热法所使用的反应试剂包括有Zn(NO3)·6H2O,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水；
S2、将氧化锌纳米棒粉末分散到PVDF溶液中制备成纺丝溶液；所述PVDF(聚偏氟乙烯)溶液中所使用的溶剂为DMF和丙酮，且DMF和丙酮两者的质量比为1：1；
S3、将制备的纺丝溶液通过静电纺丝装置制备成复合纤维丝；所述静电纺丝装置包括有注射管5、旋转接收滚筒8、以及高压电源9，所述注射管5的一端安装有便于注射纺丝溶液的注射泵4，所述注射管5的另一端连通有便于喷吐复合纤维纺丝7的针头6，所述高压电源9的正负极分别通过导线与针头6和旋转接收滚筒8电性连接；所述高压电源9通过导线与旋转接收滚筒8的电性连接点上安装有电刷，且所述电刷安装在旋转接收滚筒8的一端导电轴上；所述注射管5固定在夹具上，所述注射管5的一端与注射泵4上水平移动的电动滑块接触，且注射管5的另一端与软管连通，所述针头6竖直设置在旋转接收滚筒8的正上方；
S4、将复合纤维丝制备成复合纤维膜，将复合纤维丝旋转接收制备成取向复合纤维膜；
S5、以复合纤维膜为压电层，封装制备成压电器组件，并测试其压电性(采用弯曲的拨动方式测得的压电性)；所述压电器组件包括有复合纤维膜3，所述复合纤维膜3的两侧分别固定连接有作为导电电极的导电片2，且所述导电片2的外侧设置有起到保护作用便于进行过塑封装的PET膜层1。
实施例3
一种提升复合材料压电性能的方法，包括如下步骤：
S1、通过溶剂热法制备氧化锌纳米棒状粉末；所述氧化锌纳米棒状粉末的长度范围为1000nm，且所述氧化锌纳米棒状粉末的直径范围为90nm；所述溶剂热法所使用的反应试剂包括有Zn(NO3)·6H2O,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水；
S2、将氧化锌纳米棒粉末分散到PVDF溶液中制备成纺丝溶液；所述PVDF(聚偏氟乙烯)溶液中所使用的溶剂为DMF和丙酮，且DMF和丙酮两者的质量比为1：1；
S3、将制备的纺丝溶液通过静电纺丝装置制备成复合纤维丝；所述静电纺丝装置包括有注射管5、旋转接收滚筒8、以及高压电源9，所述注射管5的一端安装有便于注射纺丝溶液的注射泵4，所述注射管5的另一端连通有便于喷吐复合纤维纺丝7的针头6，所述高压电源9的正负极分别通过导线与针头6和旋转接收滚筒8电性连接；所述高压电源9通过导线与旋转接收滚筒8的电性连接点上安装有电刷，且所述电刷安装在旋转接收滚筒8的一端导电轴上；所述注射管5固定在夹具上，所述注射管5的一端与注射泵4上水平移动的电动滑块接触，且注射管5的另一端与软管连通，所述针头6竖直设置在旋转接收滚筒8的正上方；
S4、将复合纤维丝制备成复合纤维膜，将复合纤维丝旋转接收制备成取向复合纤维膜；
S5、以复合纤维膜为压电层，封装制备成压电器组件，并测试其压电性(采用弯曲的拨动方式测得的压电性)；所述压电器组件包括有复合纤维膜3，所述复合纤维膜3的两侧分别固定连接有作为导电电极的导电片2，且所述导电片2的外侧设置有起到保护作用便于进行过塑封装的PET膜层1。
综上所述：本发明在纯PVDF、1％、5％、10％(质量分数)氧化锌纳米棒含量下复合材料的压电性，用示波器测出的压电性大小分别为20V、60V、85V、45V；压电β相含量分别为：85.55％、90.0％、90.7％、87.5％。本发明提供的一种提升复合材料压电性能的方法，本发明通过氧化锌纳米棒粉末的设计有效提高了PVDF的压电β相；且本发明中的氧化锌纳米棒也能在复合材料中提供一定的压电性，使得制备的复合材料的压电性显著提高。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、通过溶剂热法制备氧化锌纳米棒状粉末；
S2、将氧化锌纳米棒粉末分散到PVDF溶液中制备成纺丝溶液；
S3、将制备的纺丝溶液通过静电纺丝装置制备成复合纤维丝；
S4、将复合纤维丝制备成复合纤维膜；
S5、以复合纤维膜为压电层，封装制备成压电器组件，并测试其压电性。
2.根据权利要求1所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述氧化锌纳米棒状粉末的长度范围为500-1000nm，且所述氧化锌纳米棒状粉末的直径范围为50-90nm。
3.根据权利要求1所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述S1中提到的溶剂热法所使用的反应试剂包括有Zn(NO3)·6H2O,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水。
4.根据权利要求1所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述S2中提到的PVDF(聚偏氟乙烯)溶液中所使用的溶剂为DMF和丙酮，且DMF和丙酮两者的质量比为1：1。
5.根据权利要求1所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述S3中提到的静电纺丝装置包括有注射管(5)、旋转接收滚筒(8)、以及高压电源(9)，所述注射管(5)的一端安装有便于注射纺丝溶液的注射泵(4)，所述注射管(5)的另一端连通有便于喷吐复合纤维纺丝(7)的针头(6)，所述高压电源(9)的正负极分别通过导线与针头(6)和旋转接收滚筒(8)电性连接。
6.根据权利要求5所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述高压电源(9)通过导线与旋转接收滚筒(8)的电性连接点上安装有电刷，且所述电刷安装在旋转接收滚筒(8)的一端导电轴上。
7.根据权利要求5所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述注射管(5)固定在夹具上，所述注射管(5)的一端与注射泵(4)上水平移动的电动滑块接触，且注射管(5)的另一端与软管连通。
8.根据权利要求5所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述针头(6)竖直设置在旋转接收滚筒(8)的正上方。
9.根据权利要求1所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：所述S5中提到的压电器组件包括有复合纤维膜(3)，所述复合纤维膜(3)的两侧分别固定连接有作为导电电极的导电片(2)，且所述导电片(2)的外侧设置有起到保护作用便于进行过塑封装的PET膜层(1)。
10.根据权利要求1所述的一种提升复合材料压电性能的方法，其特征在于：在所述S4中，将复合纤维丝旋转接收制备成取向复合纤维膜。
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