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压电聚合物纳米纤维材料的结构调控及应用的最新研究进展
2019/11/28 22:19:15 admin

  压电材料是在施加机械应力时产生电流的材料。静电纺丝是一种广泛应用于生产各种聚合物和无机纳米纤维的技术,研究人员通过静电纺丝技术成功制备了聚合物和无机压电器件。通过电纺纤维构建的压电材料,其性质可以通过控制纤维的排列来调整或增强。静电纺丝可以增加一些材料尤其是聚合物的压电性,此外,静电纺丝也可以通过掺杂和混合材料以增强其压电性能。

  静电纺丝要求进料材料呈溶液或熔体状,对于静电纺丝制备无机压电材料,通常使用溶液作为前驱体材料,随后再进行热处理。Chen等人(2010)通过静电纺丝法构建了钒掺杂的ZnO压电纳米纤维。乙酸锌和乙酰丙酮氧钒形成的前躯体与聚(乙烯吡咯烷酮)(PVP)一起用作静电纺丝的基础溶液。静电纺丝后,所得到的纳米纤维通过热处理后除去PVP并将前驱体还原为多晶V-ZnO压电纳米纤维的前驱体,得到平均d33值为121μmV-1的Zn0.975V0.025O纳米纤维。

  尽管已知的无机压电材料表现出较好的压电性能,但由于聚合物纤维具有较好的柔性,所以构建的聚合物压电材料引起了研究者的兴趣。由于沿PLLA聚合物纳米纤维的主碳链的电偶极子组分可以在静电纺丝过程中沿着取向方向极化,因此,聚合物例如聚(1-乳酸)(PLLA)在电纺后形成的纤维显示出优异的压电性质。Zhu等人(2017年)构建电纺PLLA纳米纤维膜,开路电压和短路电流分别达到0.55 V和230 pA。Mandal等人(2011)证明了在电纺聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)纳米纤维中CF2偶极优先取向。与流延膜相比,电纺聚偏氟乙烯(PVDF)能够在PVDF中产生具有更大β相的纤维,这归因于其压电性质。在纤维形成期间拉伸PVDF分子可能促使β相晶体的形成,然而,电压对其多态性的影响存在矛盾的结果。Cozza等(2013)报道,不同的静电纺丝参数对α/β晶体比例没有影响。然而,Sengupta等(2017)用单股电纺PVDF光纤表明,增加电压会导致其压电d33系数普遍增加至-58.77 pm/V,他将此归因于其分子偶极排列电场的影响。Lei等人(2015)通过静电纺丝和无纺布机械旋压工艺制作了β-PVDF纤维,并研究了其压电性能,结果表明,无纺布没有显示出压电性,这证明静电纺丝过程确实具有极化效应,且在电纺PVDF纤维中诱导优选的偶极取向,研究还表明,β相会随着电场强度增加而增加。

  通过材料中特定相的结晶可以增强压电性质,Ahn等人(2013)表明,将多壁碳纳米管(MWCNT)添加到PVDF溶液中增加了所得静电纺丝纤维中β-相分数的百分比,这归因于MWCNT上的官能团与PVDF链的CF2偶极之间的界面相互作用。

  为了进一步增加压电聚合物的电输出,制备了含有较高压电特性的颗粒的复合纤维。Yun等(2016)将PZT(锆钛酸铅,Pb(ZrxTi(1-x))O3)纳米粒子负载聚偏二氟乙烯(PVDF),得到柔性静电纺PVDF/PZT膜,PZT的最佳负载量为2.64μC/ cm2,4 kV/mm时最高Pmax值(最大极化值)为20 wt%,这比纯PVDF纳米纤维的Pmax增加了27%。Pan等人(2014,2015a)测试了由不同压电材料制成的对齐的纳米纤维膜的输出功率,通过近场静电纺丝对单根纳米纤维的测试,发现聚(γ-苄基α,L-谷氨酸)(PMLG)的最大功率为138 pW,而聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维能够产生266 pW。有趣的是,他们发现使用由PVDF和PMLG混合制成的纤维复合材料能够产生637.81 pW的输出功率和0.08V的最大峰值电压,其优异的性能归因于较好的偶极取向和较高的偶极密度[Pan等2015b]。

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