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用技術

本發明專利技術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用，所述單纖維以導電纖維為芯層，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，用導電纖維作為接收極進行靜電紡，得到具有軸等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維；其中，靜電紡的負極接收端為一根與負極相連的導電纖維，同時在其外延架設了一個同軸的漏斗型輔助接受裝置。本發明專利技術的制備方法簡單。本發明專利技術的單纖維具有軸向等效的壓電性能，在過濾、催化、能量轉換、藥物負載以及傳感器等方面有很好的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于單纖維及其制備方法領域，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用。
技術介紹
目前常見的壓電材料主要分為壓電陶瓷、壓電半導體和壓電聚合物三大類，其中壓電聚合物彌補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成的無紡布氈，由于在紡絲過程中已經進行了極化，所以就免去了后極化過程，再將此無紡布進行封裝，加入兩個電極，即可得到具有壓電性能的納米發電機，這種方法的優點在于設備簡單，制備工序簡單，無須后極化過程等。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，有設備簡單，易于操作且所得纖維穩定等優點，一般情況下，負極的接受極板為垂直于射流的金屬板，具有一定轉速的輥筒，或是液體接收極，同時傳統的靜電紡一般設定接收距離較長，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氈形式存在，大大限制了納米纖維的應用領域。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術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、能量轉換、藥物負載以及傳感器等方面有很好的應用前景。本專利技術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電纖維軸向方向。所述導電纖維為圓形截面，直徑為0.001～2mm。所述導電纖維的材質為碳，銅、鐵、金、銀、鉛、錫、鋁、鎳、鋅或金屬合金。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。所述壓電聚合物中摻雜氧化鋅、硫化鋅、鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛。所述壓電聚合物納米纖維的直徑為10～5000nm，厚度為0.1μm～2mm。所述皮層截面由納米纖維堆疊而成的圓環形，由制備條件以及設備參數的不同，其皮層微觀形態不同，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以及摻雜其他無機物或有機物所決定。所述單纖維在軸向上具有等效的壓電性。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電纖維軸向方向，因此當給予纖維垂直軸向方向壓力時，導電芯層可輸出電壓，其電壓與外界壓力的大小和受力纖維的長度有關。本專利技術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：紡絲液為壓電聚合物溶液，用導電纖維作為接收極進行靜電紡，得到具有軸等效壓電性能的靜電紡皮芯單纖維；其中，靜電紡的負極接收端為一根與負極相連的導電纖維，同時在負極接收端外延架設了一個同軸的漏斗型輔助接收裝置。所述紡絲液的質量分數為8％～12％，推進速度為0.8～1.5ml/h，電壓發生器輸出電壓為12～18kV。所述壓電聚合物溶液的溶劑為DMF。所述單纖維應用于過濾、催化、能量轉換、藥物負載以及傳感器。本專利技術主要通過改變負極接收端的接收裝置，將接受裝置改變為一根與負極相連的導電纖維，同時在其外延架設了一個同軸的一定規格的漏斗型輔助接受裝置，再通過調整靜電紡過程中的其他參數，制備出了一種以導電纖維為芯層，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電纖維軸向方向，當給予纖維垂直軸向方向的一定壓力時，導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，在過濾、催化、能量轉換、藥物負載以及傳感器等方面有很好的應用前景。有益效果(1)本專利技術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、能量轉換、藥物負載以及傳感器等方面有很好的應用前景；(2)本專利技術的制備方法簡單，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，來調控壓電單纖維的性能。附圖說明圖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。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡述本專利技術。應理解，這些實施例僅用于說明本專利技術而不用于限制本專利技術的范圍。此外應理解，在閱讀了本專利技術講授的內容之后，本領域技術人員可以對本專利技術作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例1紡絲液為10％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進速度設定為1ml/h，電壓發生器輸出電壓設為15kV，用直徑為0.4mm的銅絲作為接收極進行靜電紡實驗，得到皮層厚度為50μm。得到均勻的皮芯結構復合單纖維，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·N。實施例2紡絲液為12％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進速度設定為0.8ml/h，電壓發生器輸出電壓設為18kV，用直徑為1mm的銅絲作為接收極進行靜電紡實驗。得到皮層厚度為65μm，聚合物纖維直徑為1μm。得到均勻的皮芯結構復合單纖維，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·N。實施例3紡絲液為8％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進速度設定為1.5ml/h，電壓發生器輸出電壓設為15kV，用直徑為0.1mm的碳纖維作為接收極進行靜電紡實驗。得到皮層厚度為40μm，聚合物纖維直徑為800nm。得到均勻的皮芯結構復合單纖維，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·N。實施例4紡絲液為8％的聚偏氟乙烯/DMF溶液，推進速度設定為1.5ml/h，電壓發生器輸出電壓設為15kV，用直徑為2mm的碳纖維作為接收極進行靜電紡實驗。得到皮層厚度為45μm本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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電纖維軸向方向。

【技術特征摘要】
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電纖維軸向方向。
2.根據權利要求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
述導電纖維為圓形截面，直徑為0.001～2mm。
3.根據權利要求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
述導電纖維的材質為碳，銅、鐵、金、銀、鉛、錫、鋁、鎳、鋅或金屬合金。
4.根據權利要求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.根據權利要求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....

【專利技術屬性】
技術研發人員：俞昊，俞彬，楊通輝，
申請(專利權)人：東華大學，
類型：發明
國別省市：上海;31