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CN117431696A - 一种互穿无纺纳米纤维压电膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种互穿无纺纳米纤维压电膜及其制备方法，所述互穿无纺纳米纤维压电膜具有无纺膜结构，且互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜结构由PU纤维和PVDF纤维相互穿插形成，将PU纺丝液和PVDF纺丝液分别吸入两个注射器内，再将两个注射器分别放置于静电纺丝机内收集器两边进行静电纺丝，使PU纤维穿插在PVDF纤维中，形成互穿网状结构。PU纤维在此起到粘结剂的作用，将PVDF纤维粘合在一起，从而增加了器件的稳定性。此外，由于PU具有良好的弹性和柔韧性，它可以增强压电膜的弹性。因此，在受到外界压力时，压电膜可以产生更大的形变，并且具有更好的形变恢复能力，从而提高了压电发电机的输出性能。

Description

一种互穿无纺纳米纤维压电膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米纤维材料领域，具体为一种互穿无纺纳米纤维压电膜及其制备方法。
背景技术
可穿戴设备逐渐流行，越来越多的人开始考虑将柔性压电器件作为可穿戴设备的能量来源。压电发电机是一种利用压电效应将机械能转化为电能的装置，具有广泛的应用前景。利用纳米纤维制备的柔性压电发电机具有高弹性、高柔性和高灵敏度等特点，可满足智能穿戴和人机交互等领域的需求，实现对人体运动能量的收集。
在制备高弹柔性纳米纤维压电膜方面，柏自奎在Sensors and Actuators A:Physical 357(2023):114407上报道了一种用聚氨酯(PU)和聚偏氟乙烯(PVDF)的均匀混合溶液进行静电纺丝制备高弹柔性压电膜的方法。尽管这种方法制备的柔性压电膜具有良好的弹性，但压电膜中的纤维却不够稳定，当外界压力反复施加在压电膜上时，纤维与电极之间以及纤维与纤维之间可能发生滑移，使器件变得不稳定，从而影响器件的输出稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种互穿无纺纳米纤维压电膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题，将PU纺丝液和PVDF纺丝液分别吸入两个注射器内，再将两个注射器分别放置于静电纺丝机内收集器两边进行静电纺丝，使PU纤维穿插在PVDF纤维中，形成互穿网状结构。PU纤维在此起到粘结剂的作用，将PVDF纤维粘合在一起，从而增加了器件的稳定性。此外，由于PU具有良好的弹性和柔韧性，它可以增强压电膜的弹性。因此，在受到外界压力时，压电膜可以产生更大的形变，并且具有更好的形变恢复能力，从而提高了压电发电机的输出性能。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种互穿无纺纳米纤维压电膜，所述互穿无纺纳米纤维压电膜具有无纺膜结构，且互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜结构由PU纤维和PVDF纤维相互穿插形成，所述互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜的厚度为50μm-3000μm，所述PU纤维的直径为50nm-900nm，所述PVDF纤维的直径为50nm-900nm，且PU纤维和PVDF纤维的质量比在0.5/9.5-3/7之间。
一种互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法，制备方法包括以下步骤：
(1)静电纺丝溶液的配置：分别将PU和PVDF溶解于体积比6:4的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，得到均匀的PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液；
(2)互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法：将步骤(1)中的PU纺丝液和PVDF纺丝液分别吸入第一注射器与第二注射器中，把两个注射器分别放置于静电纺丝机内收集器两边，PU纺丝溶液推出速度为0.15mL/h～3mL/h，PVDF纺丝溶液推出速度为0.5mL/h～10mL/h，收集器是一个接地的旋转辊筒，其转速为50r/min-800r/min，旋转辊筒表面与第一纺丝头或者第二纺丝头之间的距离为5cm-20cm，在第一纺丝头上接入10kV-30kV的第一电压，在第二纺丝头上接入10kV-30kV的第二电压，纺丝结束在旋转辊筒表面即可获得互穿无纺纳米纤维压电膜。
进一步的，根据步骤(1)，所述PU纺丝溶液的质量分数2％—15％。
进一步的，根据步骤(1)，所述PVDF纺丝溶液的质量分数为5％—30％。
进一步的，根据步骤(2)，所述第一纺丝头的针头内径为0.15mm-1.05mm，且第二纺丝头的针头内径为0.15mm-1.05mm。
本发明的有益效果：本发明的一种互穿无纺纳米纤维压电膜及其制备方法，包括第一注射器；第二注射器；收集器；第一纺丝头；第二纺丝头；第一电压；第二电压。
1.本发明通过在PVDF纤维中穿插PU纤维来粘住PVDF纤维，使得纳米纤维压电膜具有优异的稳定性。
2.本发明因为PU自身弹性好，所以纳米纤维膜也具有良好的弹性，在纳米纤维膜受到压力时可以产生更大程度的形变，使得纳米纤维膜的响应更为灵敏，即其压电性能更优异。
附图说明
图1为本发明的互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法示意图；
图2为本发明制备的互穿无纺纳米纤维压电膜的微结构形貌。
图中：1、第一注射器；2、第二注射器；3、收集器；4、第一纺丝头；5、第二纺丝头；6、第一电压；7、第二电压。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1和图2，本发明提供一种技术方案：一种互穿无纺纳米纤维压电膜，所述互穿无纺纳米纤维压电膜具有无纺膜结构，且互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜结构由PU纤维和PVDF纤维相互穿插形成，所述互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜的厚度为50μm-3000μm，所述PU纤维的直径为50nm-900nm，所述PVDF纤维的直径为50nm-900nm，且PU纤维和PVDF纤维的质量比在0.5/9.5-3/7之间。
一种互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法，制备方法包括以下步骤：
(1)静电纺丝溶液的配置：分别将PU和PVDF溶解于体积比6:4的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，得到均匀的PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液；
(2)互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法：将步骤(1)中的PU纺丝液和PVDF纺丝液分别吸入第一注射器1与第二注射器2中，把两个注射器分别放置于静电纺丝机内收集器3两边，PU纺丝溶液推出速度为0.15mL/h～3mL/h，PVDF纺丝溶液推出速度为0.5mL/h～10mL/h，收集器3是一个接地的旋转辊筒，其转速为50r/min-800r/min，旋转辊筒表面与第一纺丝头4或者第二纺丝头5之间的距离为5cm-20cm，在第一纺丝头4上接入10kV-30kV的第一电压6，在第二纺丝头5上接入10kV-30kV的第二电压7，纺丝结束在旋转辊筒表面即可获得互穿无纺纳米纤维压电膜。
所述PU纺丝溶液的质量分数2％—15％，所述PVDF纺丝溶液的质量分数为5％—30％，将PU颗粒和PVDF粉体分散于体积比6:4的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，通过搅拌得到均匀的PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液，再分别吸入第一注射器1与第二注射器2中，用于后续的制备互穿无纺纳米纤维压电膜，第一注射器1与第二注射器2输出端的第一纺丝头4和第二纺丝头5内径在0.15mm-1.05mm区间内，第一纺丝头4和第二纺丝头分别接入第一电压6和第二电压7，第一电压6和第二电压7都在10kV-30kV范围内，PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液推出速度分别在0.15mL/h～3mL/h、0.5mL/h～10mL/h之间，通过旋转辊筒式收集器收集PU纳米纤维和PVDF纳米纤维，从而在旋转辊筒上获得互穿无纺纳米纤维压电膜。
实施例1，将PU颗粒和PVDF粉体分别分散于体积比6:4的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，通过搅拌得到质量分数为2％与质量分数为5％的PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液，再分别吸入第一注射器1与第二注射器2中，第一注射器1的第一纺丝头4的针头选用内径为0.15mm，第二注射器2的第二纺丝头5的针头选用内径为0.15mm，第一纺丝头4与第二纺丝头5分别接入10kV的第一电压6和10kV的第二电压7，PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液推出速度分别为0.15mL/h、0.5mL/h，通过旋转辊筒式收集器收集PU纳米纤维和PVDF纳米纤维，从而在旋转辊筒上获得互穿无纺纳米纤维压电膜，得到的互穿无纺纳米纤维压电膜的形貌如图2所示。
实施例2，PU纺丝溶液的质量分数为2％，PVDF纺丝溶液制备的质量分数为5％，第一注射器1的第一纺丝头4的针头选用内径为1.05mm，第二注射器的第二纺丝头5的针头选用内径为1.05mm，第一电压6和第二电压7都为30kV，PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液推出速度分别为3mL/h、10mL/h，通过旋转辊筒式收集器收集PU纳米纤维和PVDF纳米纤维，从而在旋转辊筒上获得互穿无纺纳米纤维压电膜，得到的互穿无纺纳米纤维压电膜与实施例1的结果相同。
实施例3，与实施例1和实施例2不同的是：PU纺丝溶液制备的质量分数为15％，PVDF纺丝溶液制备的质量分数为30％，第一注射器1的第一纺丝头4的针头选用内径为1.05mm，第二注射器的第二纺丝头5的针头选用内径为1.05mm，第一电压6和第二电压7都为30kV，PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液推出速度分别为3mL/h、10mL/h，通过旋转辊筒式收集器收集PU纳米纤维和PVDF纳米纤维，从而在旋转辊筒上获得互穿无纺纳米纤维压电膜，得到的互穿无纺纳米纤维压电膜与实施例1和实施例2的结果相同。
实施例4，PU纺丝溶液制备的质量分数为15％，PVDF纺丝溶液制备的质量分数为30％，第一注射器1的第一纺丝头4的针头选用内径为0.15mm，第二注射器的第二纺丝头5的针头选用内径为0.15mm，第一电压6和第二电压7都为10kV，PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液推出速度分别为0.15mL/h、0.5mL/h，通过旋转辊筒式收集器收集PU纳米纤维和PVDF纳米纤维，从而在旋转辊筒上获得互穿无纺纳米纤维压电膜，得到的互穿无纺纳米纤维压电膜与实施例3的结果相同。
实施例5，PU纺丝溶液制备的质量分数为10％，PVDF纺丝溶液制备的质量分数为30％，第一注射器1的第一纺丝头4的针头内径为0.45mm，第二注射器的第二纺丝头5的针头内径为0.60mm，第一电压6和第二电压7输出电压都为20kV，PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液推出速度分别为2mL/h、7mL/h，通过旋转辊筒式收集器收集PU纳米纤维和PVDF纳米纤维，从而在旋转辊筒上获得互穿无纺纳米纤维压电膜，得到的互穿无纺纳米纤维压电膜的形貌同样如图2所示。
将PU颗粒和PVDF粉体按照制备方法溶解于N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，通过搅拌得到质量分数为2％—15％的PU纺丝溶液和质量分数为5％—30％的PVDF纺丝溶液，并将PU纺丝液和PVDF纺丝液分别吸入两个注射器内，再将两个注射器分别放置于静电纺丝机内收集器3两边进行静电纺丝，使PU纤维穿插在PVDF纤维中，形成互穿网状结构，PU纤维在此起到粘结剂的作用，将PVDF纤维粘合在一起，从而增加了器件的稳定性，由于PU具有良好的弹性和柔韧性，它可以增强压电膜的弹性。因此，在受到外界压力时，压电膜可以产生更大的形变，并且具有更好的形变恢复能力，从而提高了压电发电机的输出性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种互穿无纺纳米纤维压电膜，其特征在于：所述互穿无纺纳米纤维压电膜具有无纺膜结构，且互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜结构由PU纤维和PVDF纤维相互穿插形成，所述互穿无纺纳米纤维压电膜的无纺膜的厚度为50μm-3000μm，所述PU纤维的直径为50nm-900nm，所述PVDF纤维的直径为50nm-900nm，且PU纤维和PVDF纤维的质量在0.5/9.5-3/7之间。
2.一种互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤：
(1)静电纺丝溶液的配置：分别将PU和PVDF溶解于体积比6:4的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂中，得到均匀的PU纺丝溶液和PVDF纺丝溶液；
(2)互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法：将步骤(1)中的PU纺丝液和PVDF纺丝液分别吸入第一注射器(1)与第二注射器(2)中，把两个注射器分别放置于静电纺丝机内收集器(3)两边，PU纺丝溶液推出速度为0.15mL/h～3mL/h，PVDF纺丝溶液推出速度为0.5mL/h～10mL/h，收集器(3)是一个接地的旋转辊筒，其转速为50r/min-800r/min，旋转辊筒表面与第一纺丝头(4)或者第二纺丝头(5)之间的距离为5cm-20cm，在第一纺丝头(4)上接入10kV-30kV的第一电压(6)，在第二纺丝头(5)上接入10kV-30kV的第二电压(7)，纺丝结束在旋转辊筒表面即可获得互穿无纺纳米纤维压电膜。
3.根据权利要求2所述的一种互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法，其特征在于：根据步骤(1)，所述PU纺丝溶液的质量分数2％—15％。
4.根据权利要求2所述的一种互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法，其特征在于：根据步骤(1)，所述PVDF纺丝溶液的质量分数为5％—30％。
5.根据权利要求2所述的一种互穿无纺纳米纤维压电膜的制备方法，其特征在于：根据步骤(2)，所述第一纺丝头(4)的针头内径为0.15mm-1.05mm，且第二纺丝头(5)的针头内径为0.15mm-1.05mm。
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