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随着电子材料的飞速发展,人们对压电材料的高性能化提出了迫切的要求,聚偏氟乙烯(PVDF)作为性能最为优良的一类压电高分子材料,具有质轻、高柔性、频率响应范围宽、声阻抗与水和人体匹配、易加工等传统压电材料难以比拟的优点。然而,在实际应用过程中PVDF存在压电常数较低、极化电压较高的问题,限制了其进一步的应用。PVDF的压电性能与其电活性相(β和γ相)含量密切相关,但在一般的结晶条件下获得的是无机性的α相,因此有效的提高电活性相(极性相)的含量是提高PVDF压电性能的关键。 本文分别采用溶液结晶和熔体结晶的方法探讨了PVDF电活性相形成的条件,并利用各种改性手段提高电活性相含量,从热力学和动力学角度深入研究了PVDF电活性相的形成机理,为深入的理解高分子的结晶结构与压电性能之间的关系给出一定的理论依据。论文的主要内容和结论如下: (1)通过控制溶液的浓度、溶剂蒸发温度和溶剂蒸发环境三种结晶条件,利用简单的溶液涂膜方法制备了PVDF薄膜,并深入探讨了PVDF具有极性的β和γ相产生的原因,分析了其结晶形貌与晶相组成之间的关系。结果表明,低温下溶剂分子所带的极性基团与PVDF分子链之间的发生相互作用,限制了PVDF分子链构象向较低分子势能的TG+TG-构象旋转,降低了形成极性相所需的能量,有利于获得极性相。从热力学角度分析获得β和γ相的根本方法,一种为改变系统的热力学路径,即通过动力学方法改变成核速率来控制系统所处的能量状态;另一种为降低形成不稳定的分子构象所需的能量,即在结晶过程中引入某种相互作用,从而降低形成亚稳态构象的分子势能。极性相含量较高的薄膜孔隙率较高,形成疏松的结构使体系难以完全松弛,这与结晶构象的亚稳状态相符。 (2)运用两种溶液结晶方法制备了蒙脱土(MMT)/PVDF纳米复合材料,探讨了不同的制备方法与后续的热处理方式对PVDF极性相形成的影响,并研究了无机MMT纳米粒子的存在对PVDF结晶动力学行为的影响,以及MMT纳米粒子对PVDF极性相的诱导机理。结果表明,溶液涂膜方法比共沉淀方法更有利于PVDF极性相的形成。溶液涂膜后未经后续热处理的样品,添加MMT后可以有效促进PVDF以β相结晶;溶液涂膜后熔融非等温结晶的样品,添加MMT后可促进PVDFγ相的形成。MMT纳米粒子分散性较好的样品,对极性相的诱导作用更强。无机MMT粒子的存在抑制了α相晶体的形成,同时促进了γ相晶体的成核和生长。无机MMT表面存在的负电荷与PVDF分子链上的偶极子发生相互作用,限制了PVDF结晶时分子链构象的旋转,从而使其更易以全反式的构象结晶,从而获得较多的极性相。 (3)运用溶液润湿阳极氧化铝(AAO)模板的方法制备了PVDF纳米线,探讨了纳米线极性相形成适宜的结晶条件,并用对模板表面进行改性的方法进一步提高纳米线的极性相含量,深入探讨了处理后的模板对极性相的诱导机理。结果表明,PVDF纳米线与其本体材料相似,其极性相也受到溶液结晶条件的影响,极性溶剂分子上的极性基团能够诱导PVDF纳米线极性相的形成,低温下结晶有利于PVDF纳米线极性相的形成,但作用有限。模板经氧等离子体处理后,虽然纳米线总的极性相含量与未处理时基本相同,但β相的相对含量提高,表面羟基数量增多且排列更为规则是获得较多β相的原因。模板经APMS修饰后,纳米线总的极性相含量明显提高,由未修饰时的40%提高至71%,氨基与PVDF分子链之间的相互作用比羟基更强,且相互作用点增多,这是有效的提升PVDF纳米线极性相含量的原因。 (4)通过熔体共混的方法将两种有机季鳞盐(QPS)纳米粒子四苯基溴化鳞(TPPB)和四苯基氯化鳞(TPPC)加入到PVDF基体中,用以诱导PVDF极性相的形成,研究了PVDF的结晶动力学行为与PVDF极性相形成之间的关系,深入探讨了季鳞盐粒子对PVDF极性相形成的诱导机理,以及季鳞盐粒子对PVDF介电性能和压电性能的影响。结果表明,添加很少量的TPPB(1wt%)和TPPC(0.5wt%)即可以诱导PVDF从熔体中全部以极性相结晶,其中TPPB易使PVDF以γ相结晶,TPPB使PVDF更倾向于以β相结晶,TPPB对PVDF极性相的诱导作用比TPPC更强。经过LH模型分析,添加QPS纳米粒子后,PVDF的结晶温度区域Ⅱ消失或者向高温发生了移动,这是由于QPS与PVDF之间的相互作用使其链段扩散速率降低导致的。QPS纳米粒子的正电基团与PVDF分子链上的氟原子之间发生相互作用,限制了其分子构象的旋转,从而使其更易以全反式的构象结晶。加入适合量的TPPB和TPPC可以使PVDF介电常数提高,纯PVDF的压电常数最低,含TPPB1wt%的样品较高,含TPPC0.5wt%的样品压电常数最高,压电常数的高低与极性相的含量和组成有关。