静电纺聚偏氟乙烯纳米纤维膜压电性能研究

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聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)相比传统的压电材料具有柔软质轻、频响宽、力电转换灵敏度高、耐冲击等特点,成为制备新型智能传感器的研究热点。通常PVDF压电薄膜采用流延成膜法等传统工艺制备,但是传统制备工艺过程复杂、成本高,且薄膜的硬度大、透气性差。相比而言,静电纺丝的方法具有操作简单、方便、成本低等优点,且所制备的PVDF纤维膜柔软、质轻,特别是具有良好的透气性,是可穿戴产品的理想选择。然而,目前对静电纺PVDF纤维膜压电性能表征方法与测试方面存在不足,这也制约着其进一步的发展与应用。本课题针对上述问题进行相关的研究与讨论,并给出了解决方法。课题采用静电纺丝技术制备PVDF纤维膜,应用静电纺PVDF纤维膜制作压电传感器,并利用自搭建压电性能测试装置对其进行压电性能表征,旨在研究静电纺PVDF压电传感器的性能,为智能纺织品和可穿戴压电传感器设备的开发提供基础。主要研究工作如下:(1)静电纺PVDF纤维膜的制备与表征。首先采用圆筒接收装置接收静电纺PVDF纤维,制备静电纺PVDF纤维膜。通过扫描电镜(SEM)对纤维的形貌和直径进行分析,研究静电纺丝过程工艺参数和溶液性质对PVDF纤维膜形貌、直径的影响,以确定静电纺丝工艺参数。然后采用X射线衍射(XRD)对静电纺丝过程PVDF纤维晶相结构转化的进行分析,研究静电纺PVDF纤维膜的晶型结构。最后利用确定的工艺参数制备静电纺PVDF纤维膜。(2)压电性能测试装置的搭建。由于目前并没有专门用于测试压电性能的装置,因此只能从PVDF压电信号输出原理着手设计搭建一套压电性能测试装置,主要包括圆柱型音圈电机、夹持装置、压力传感器、电化学工作站以及其他配件。其中,圆柱型音圈电机是施力装置,压力传感器和电化学工作站分别是压力信号和压电信号的监测装置,夹持装置用于固定压力传感器和静电纺PVDF纤维膜试样。(3)静电纺PVDF纤维膜压电性能测试。从幅频特性、灵敏度、重复性三个方面对静电纺PVDF纤维膜进行压电性能测试,对测试结果进行分析。实验结果表明,(1)静电纺PVDF纤维膜的合适纺丝参数为:PVDF浓度为10%,溶剂N, N-二甲基甲酰胺(DMF)/丙酮体积配比为60:40,纺丝电压为16kv,纺丝速度为1.0ml/h,纺丝距离为15cm。相比PVDF粉末和PVDF流延成膜(商业PVDF薄膜),静电纺PVDF纤维膜具有更高的β相含量。静电纺丝过程整合了PVDF压电薄膜的机械拉伸和高压极化工序,是制备β相PVDF纤维膜的理想方法。(2)搭建的压电性能测试装置不仅能够有效地调节压力和频率的变化,还能够同时检测压力信号和压电信号,可以有效地进行压电性能的分析与研究。(3)在周期性的压力下,静电纺PVDF纤维膜的压电性能和激励频率与激励动程均有关。但对低频响应较为迟钝,对高频响应灵敏,在0.4~1.0mm的激励动程范围内,灵敏度约达到380mv/mm,适合高频信号的监测。同时静电纺PVDF纤维膜的压电性能具有很好的重复性能,能够长时间、稳定的工作。
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