一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維及其制備方法和應(yīng)用
【專利說明】
法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于單纖維及其制備方法領(lǐng)域，特別涉及一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前常見的壓電材料主要分為壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體和壓電聚合物三大類，其中壓電聚合物彌補(bǔ)了前兩者壓電材料的一些不足，它具有很好的生物相容性，且易于加工，質(zhì)輕，是一種新型的壓電材料。在加工壓電聚合物方面，目前一種常用的方法是通過靜電紡絲法，將壓電聚合物紡成由一定直徑的納米纖維構(gòu)成的無紡布?xì)?，由于在紡絲過程中已經(jīng)進(jìn)行了極化，所以就免去了后極化過程，再將此無紡布進(jìn)行封裝，加入兩個電極，即可得到具有壓電性能的納米發(fā)電機(jī)，這種方法的優(yōu)點在于設(shè)備簡單，制備工序簡單，無須后極化過程等。
[0003]靜電紡絲法是制備壓電聚合物納米纖維的常見的原位極化的方法，有設(shè)備簡單，易于操作且所得纖維穩(wěn)定等優(yōu)點，一般情況下，負(fù)極的接受極板為垂直于射流的金屬板，具有一定轉(zhuǎn)速的輥筒，或是液體接收極，同時傳統(tǒng)的靜電紡一般設(shè)定接收距離較長，以使得紡絲液有足夠的時間凝固，這樣由于靜電紡射流存在不穩(wěn)定擾動，使得最終所得的納米纖維以無序或具有一定取向的無紡布?xì)中问酱嬖?，大大限制了納米纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維及其制備方法和應(yīng)用，該制備方法簡單;該單纖維具有軸向等效的壓電性能，在過濾、催化、能量轉(zhuǎn)換、藥物負(fù)載以及傳感器等方面有很好的應(yīng)用前景。
[0005]本發(fā)明的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，所述纖維以導(dǎo)電纖維為芯層，以壓電聚合物納米纖維為皮層;其中，壓電聚合物的極化方向垂直于導(dǎo)電纖維軸向方向。
[0006]所述導(dǎo)電纖維為圓形截面，直徑為0.001?2_。
[0007]所述導(dǎo)電纖維的材質(zhì)為碳，銅、鐵、金、銀、鉛、錫、鋁、鎳、鋅或金屬合金。
[0008]所述壓電聚合物為聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯和聚丙烯腈中至少一種及幾種的共聚物。
[0009 ]所述壓電聚合物中摻雜氧化鋅、硫化鋅、鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛。
[0010]所述壓電聚合物納米纖維的直徑為10?5000nm，厚度為0.Ιμ???2mm。
[0011]所述皮層截面由納米纖維堆疊而成的圓環(huán)形，由制備條件以及設(shè)備參數(shù)的不同，其皮層微觀形態(tài)不同，包括納米纖維的表面粗糙程度，納米纖維的直徑，取向及蓬松程度。皮層聚合物在其纖維軸向上具有相同的壓電性，壓電性能有其本身的性質(zhì)以及摻雜其他無機(jī)物或有機(jī)物所決定。
[0012]所述單纖維在軸向上具有等效的壓電性。
[0013]所述單纖維中由于每一根壓電聚合物納米纖維的極化方向均為垂直于導(dǎo)電纖維軸向方向，因此當(dāng)給予纖維垂直軸向方向壓力時，導(dǎo)電芯層可輸出電壓，其電壓與外界壓力的大小和受力纖維的長度有關(guān)。
[0014]本發(fā)明的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維的制備方法，包括:
[0015]紡絲液為壓電聚合物溶液，用導(dǎo)電纖維作為接收極進(jìn)行靜電紡，得到具有軸等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維;其中，靜電紡的負(fù)極接收端為一根與負(fù)極相連的導(dǎo)電纖維，同時在負(fù)極接收端外延架設(shè)了一個同軸的漏斗型輔助接收裝置。
[0016]所述紡絲液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8 %?12 %，推進(jìn)速度為0.8?1.5ml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓為12?18kV。
[0017]所述壓電聚合物溶液的溶劑為DMF。
[0018]所述單纖維應(yīng)用于過濾、催化、能量轉(zhuǎn)換、藥物負(fù)載以及傳感器。
[0019]本發(fā)明主要通過改變負(fù)極接收端的接收裝置，將接受裝置改變?yōu)橐桓c負(fù)極相連的導(dǎo)電纖維，同時在其外延架設(shè)了一個同軸的一定規(guī)格的漏斗型輔助接受裝置，再通過調(diào)整靜電紡過程中的其他參數(shù)，制備出了一種以導(dǎo)電纖維為芯層，以壓電聚合物納米纖維為皮層的皮芯單纖維，由于每一根壓電聚合物納米纖維的極化方向均為垂直于導(dǎo)電纖維軸向方向，當(dāng)給予纖維垂直軸向方向的一定壓力時，導(dǎo)電芯層可輸出一定的電壓，其電壓與外界壓力的大小和受力纖維的長度有關(guān)，在過濾、催化、能量轉(zhuǎn)換、藥物負(fù)載以及傳感器等方面有很好的應(yīng)用前景。
[0020]有益效果
[0021](I)本發(fā)明的單纖維軸向等效的壓電性能，單位長度纖維的瞬時壓電輸出峰值為4?15V/m.N，在過濾、催化、能量轉(zhuǎn)換、藥物負(fù)載以及傳感器等方面有很好的應(yīng)用前景；
[0022](2)本發(fā)明的制備方法簡單，通過原位極化的方法，一步法即可得到具有高壓電相的，并自帶一個電極的壓電單纖維，同時可通過改變紡絲的一些參數(shù)，來調(diào)控壓電單纖維的性能。
【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1中皮芯單纖維的電子顯微照片;其中，插圖為放大圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0025]實施例1
[0026]紡絲液為10%的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進(jìn)速度設(shè)定為lml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓設(shè)為15kV，用直徑為0.4mm的銅絲作為接收極進(jìn)行靜電紡實驗，得到皮層厚度為50μπι。
[0027]得到均勻的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合單纖維，纖維皮層厚度為0.1mm左右，納米纖維之間貼合較緊密，從電子顯微鏡照片(圖1)中可知，聚合物納米纖維包裹緊致密實，聚合物納米纖維粗細(xì)較均勻，沿金屬絲軸向排列取向度高，且基本無捻度。其在軸向的各個角度具有相同的壓電性能，單位長度纖維的瞬時壓電輸出峰值為5V/m.No
[0028]實施例2
[0029]紡絲液為12%的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進(jìn)速度設(shè)定為0.8ml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓設(shè)為18kV，用直徑為Imm的銅絲作為接收極進(jìn)行靜電紡實驗。得到皮層厚度為65μπι，聚合物纖維直徑為Iym。
[0030]得到均勻的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合單纖維，纖維皮層厚度為0.2mm，納米纖維之間貼合十分緊密，聚合物納米纖維包裹緊致密實，聚合物納米纖維粗細(xì)較均勻，沿金屬絲軸向排列取向度高。其在軸向的各個角度具有相同的壓電性能，單位長度纖維的瞬時壓電輸出峰值為12V/m.No
[0031]實施例3
[0032]紡絲液為8%的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進(jìn)速度設(shè)定為1.5ml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓設(shè)為15kV，用直徑為0.1mm的碳纖維作為接收極進(jìn)行靜電紡實驗。得到皮層厚度為40μm，聚合物纖維直徑為800nmo
[0033]得到均勻的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合單纖維，纖維皮層厚度為0.4mm，納米纖維之間貼合十分緊密，聚合物納米纖維包裹緊致密實，聚合物納米纖維粗細(xì)較均勻，沿金屬絲軸向排列取向度高。其在軸向的各個角度具有相同的壓電性能，單位長度纖維的瞬時壓電輸出峰值為15V/m.No
[0034]實施例4
[0035]紡絲液為8%的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進(jìn)速度設(shè)定為1.5ml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓設(shè)為15kV，用直徑為2mm的碳纖維作為接收極進(jìn)行靜電紡實驗。得到皮層厚度為45μπι，聚合物纖維直徑為800nmo
[0036]得到均勻的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合單纖維，纖維皮層厚度為0.3mm，納米纖維之間貼合十分緊密，聚合物納米纖維包裹緊致密實，聚合物納米纖維粗細(xì)較均勻，沿金屬絲軸向排列取向度高，同時納米纖維具有捻度。其在軸向的各個角度具有相同的壓電性能，單位長度纖維的瞬時壓電輸出峰值為14V/m.No
[0037]實施例5
[0038]紡絲液為10%的PAN/DMF溶液，推進(jìn)速度設(shè)定為lml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓設(shè)為12kV，用直徑為0.1mm的碳纖維作為接收極進(jìn)行靜電紡實驗。得到皮層厚度為55μπι，聚合物纖維直徑為700nm。
[0039]得到均勻的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合單纖維，纖維皮層厚度為0.5_，納米纖維之間貼合比較蓬松，聚合物納米纖維包裹較松散，形成一個具有松散結(jié)構(gòu)的中間含有空隙的聚合物納米纖維皮層，聚合物納米纖維粗細(xì)較均勻，沿金屬絲軸向具有一定的取向度。其在軸向的各個角度具有相同的壓電性能，單位長度纖維的瞬時壓電輸出峰值為4V/m.No
【主權(quán)項】
1.一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，其特征在于，所述纖維以導(dǎo)電纖維為芯層，以壓電聚合物納米纖維為皮層;其中，壓電聚合物的極化方向垂直于導(dǎo)電纖維軸向方向。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，其特征在于，所述導(dǎo)電纖維為圓形截面，直徑為0.0Ol?2_。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，其特征在于，所述導(dǎo)電纖維的材質(zhì)為碳，銅、鐵、金、銀、鉛、錫、鋁、鎳、鋅或金屬合金。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，其特征在于，所述壓電聚合物為聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯和聚丙烯腈中至少一種及幾種的共聚物。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，其特征在于，所述壓電聚合物中摻雜氧化鋅、硫化鋅、鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維，其特征在于，所述壓電聚合物納米纖維的直徑為10?5000nm，厚度為0.Ιμπι?2mm。7.—種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維的制備方法，包括: 紡絲液為壓電聚合物溶液，用導(dǎo)電纖維作為接收極進(jìn)行靜電紡，得到具有軸等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維;其中，靜電紡的負(fù)極接收端為一根與負(fù)極相連的導(dǎo)電纖維，同時在負(fù)極接收端外延架設(shè)了一個同軸的漏斗型輔助接收裝置。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維的制備方法，其特征在于，所述紡絲液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%?12%，推進(jìn)速度為0.8?1.5ml/h，電壓發(fā)生器輸出電壓為12?18kV。9.一種如權(quán)利要求1所述的具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維的應(yīng)用，所述單纖維應(yīng)用于過濾、催化、能量轉(zhuǎn)換、藥物負(fù)載以及傳感器。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有軸向等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維及其制備方法和應(yīng)用，所述單纖維以導(dǎo)電纖維為芯層，以壓電聚合物納米纖維為皮層。制備方法包括：紡絲液為壓電聚合物溶液，用導(dǎo)電纖維作為接收極進(jìn)行靜電紡，得到具有軸等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維；其中，靜電紡的負(fù)極接收端為一根與負(fù)極相連的導(dǎo)電纖維，同時在其外延架設(shè)了一個同軸的漏斗型輔助接受裝置。本發(fā)明的制備方法簡單。本發(fā)明的單纖維具有軸向等效的壓電性能，在過濾、催化、能量轉(zhuǎn)換、藥物負(fù)載以及傳感器等方面有很好的應(yīng)用前景。
【IPC分類】D01F8/18, D01F8/10, D01F8/08, D01D5/34
【公開號】CN105671685
【申請?zhí)枴緾N201610031161
【發(fā)明人】俞昊, 俞彬, 楊通輝
【申請人】東華大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月18日