【摘 要】
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聚偏氟乙烯(PVDF)是一种多晶态聚合物,根据相态可用作普通树脂或具有电活性功能性高分子材料。其具有优异的耐候性、耐化学稳定性以及压电、铁电和热电性能。γ-PVDF是PVDF多种晶相中热稳定及居里温度最高的晶相,在高温下性能稳定,常用作耐高温铁电及压电材料。近年来,智能材料领域对耐高温的柔性电活性材料的需求量越来越大,使得γ-PVDF的应用前景越来越广阔。但如今γ-PVDF的制备主要是通过长时间高
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聚偏氟乙烯(PVDF)是一种多晶态聚合物,根据相态可用作普通树脂或具有电活性功能性高分子材料。其具有优异的耐候性、耐化学稳定性以及压电、铁电和热电性能。γ-PVDF是PVDF多种晶相中热稳定及居里温度最高的晶相,在高温下性能稳定,常用作耐高温铁电及压电材料。近年来,智能材料领域对耐高温的柔性电活性材料的需求量越来越大,使得γ-PVDF的应用前景越来越广阔。但如今γ-PVDF的制备主要是通过长时间高温处理,存在耗能高、时间长的缺点,而且目前学界对PVDF的α-γ’固-固相变的机制仍不是特别明确。于是探索一种快速制备高γ相含量的PVDF薄膜的方法与解释PVDF相变机理变得尤为重要。因此,本文通过表面涂覆并退火的方式促进不同结晶温度下得到的α-PVDF发生相变,采用偏光显微镜(POM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)以及小角X射线散射仪(SAXS)等方式对制备得到的PVDF薄膜的球晶形貌、晶体相态以及相转变机理等进行了研究。主要研究结论如下:(1)采用热压并转移结晶的方式制备得到不同结晶温度生成的α-PVDF薄膜,在其表面上涂敷一层1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)并在一定温度下进行退火,研究了[BMIM]BF4对α-PVDF的相变的促进作用及相变机理,并探索了结晶温度、退火温度对相变程度的影响。研究表明表面涂敷[BMIM]BF4并退火可以诱导不同结晶温度下生成的α-PVDF在较短的时间内发生固-固相变。[BMIM]BF4促进相变的原因是[BMIM]BF4与PVDF分子链之间存在离子偶极作用,在此作用力的诱导下非晶区中的分子链提前调整了其构象,并在退火过程中快速排列到晶格中,使得α-PVDF片晶快速相变为γ’-PVDF片晶。同时,与低温结晶过程中形成的片晶相比,高温结晶得到的厚片晶具有更快的相变速度和更大的相变范围。此外,加速的α-γ’相变被证实是由离子液体扩散到PVDF薄膜中引起的。由于涂敷剂的强扩散能力,通过涂敷[BMIM]BF4并退火的方法可以得到不同厚度(从纳米级至微米级)的γ’-PVDF薄膜,最大厚度可达250μm,相对于固体的表面诱导距离(10 μm)有了巨大的提升。受γ相含量及初始α-PVDF球晶自身结构的影响,不同结晶温度相变后得到的γ’-PVDF薄膜的铁电及介电性能存在不同,总体表现为随结晶温度上升,其铁电与介电性能也随之提高。(2)通过溶液浇筑并熔融重结晶的方式制备得到了不同结晶温度下生成的α-PVDF薄膜,并通过涂敷不同种类的涂敷剂并退火的方法研究了涂敷剂种类对PVDF相变的影响。研究表明涂敷有无机盐溶液的薄膜无法相变,而涂敷有DES及有机盐溶液的薄膜均可在适当温度退火后发生相变,即无机盐水溶液无法促进PVDF相变,只有有机盐溶液可以促进α-PVDF相变。无论使用何种涂敷剂,结晶温度与与退火温度均是影响晶体相变程度的两个最重要的因素。随着结晶温度或退火温度的升高,薄膜的相变成程度也在提高。同时,涂敷剂种类不同对相变的促进作用也不同,涂有DES或乙基三苯基溴化磷(ETPPBR)溶液的薄膜在150℃以上的退火温度才可发生相变,而涂有十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液的PVDF薄膜在140℃的退火温度下就可以相变。(3)结晶温度是影响相变程度与相变速度的重要因素之一。涂敷有[BMIM]BF4、DES、CTAB 水溶液和 ETPPBR 水溶液的α-PVDF 均可在 160℃下短时间(60分钟)内退火生成γ’-PVDF。低温结晶(30℃下结晶)得到的α-PVDF球晶也可以通过此种方式发生相变,相变程度与α-PVDF的结晶温度有关,随结晶温度的升高,γ-PVDF的含量也随之升高,即相变程度随结晶温度的升高而升高。同时,不同结晶温度制备的α-PVDF球晶的相变速度存在差异,低温下(如30℃)制备样品存在诱导期并且相变速度相对缓慢,而在高温下(例如在120℃和150℃下)结晶得到的样品的相变过程中未观察到诱导期的存在(可能存在但极为短暂),只表现出快速相变和缓慢相变两个阶段。
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