一种基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件及其制备方法，属于功能材料技术领域，其步骤包括：（1）将原料MXene和PVDF经溶液法充分混合并干燥，其中，所述MXene的浓度为0.5wt%

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功能材料及器件
，尤其涉及一种MXene增强的PVDF基柔性压电器件及其制备方法。
[0002]
技术介绍

[0003]柔性压电发电材料及器件能够收集机械能并将其转化为电能，从而减少了对传统能源的依赖，已引起了广泛的兴趣。这些材料和器件能够实现创新应用，包括智能服装、可穿戴电子产品、皮肤上和植入式传感器，以及从车辆、水和风的运动中获取能量。
[0004]相比传统压电材料天然晶体和人造陶瓷，以合成聚合物为基体制备的柔性压电材料及器件具有更好的前景。压电聚合物及其复合材料相对于普通无机材料，具有更好的机械灵活性、低的成本和生产简单等性质，以及用于植入式或可穿戴传感器等用途所需的生物相容性。通过制定特别的工艺参数，压电聚合物还表现出高的光学透明性和低雾度，从而在电容式触摸传感器中作为LED显示器的顶层具有潜在应用。
[0005]聚偏氟乙烯(PVDF)及其相关的含氟聚合物是最常见的柔性压电材料，因其机电转换效率高、机械柔韧性好、可加工性和生物相容性好而被广泛应用。显然，提高聚偏氟乙烯的压电性能对提升其使用效果，扩展其应用范围至关重要。通过添加功能复合体，制备PVDF基复合材料，是实现PVDF高压电性能的重要途径。
[0006]目前，PVDF基高压电性能柔性器件的制备方法主要有两类：（1）传统的溶剂浇铸、熔融挤出和熔融拉伸等技术；（2）3D打印和静电纺丝等新方法。
[0007]增强PVDF压电性能的报道已有一些，比如公开号为CN110828654 A、专利技术名称为“一种复合压电薄膜及其制备方法”的中国专利申请，公开了一种复合压电材料，其采用纯天然植物纳米纤维素纤维、Mxene和聚偏氟乙烯为原材料，通过机械混合、干燥成膜和高压极化等工艺制备得到复合压电材料，该方法虽然提高了压电性能（其最优实施例的压电性能比其对比例提升约2.5倍），但是其需要高压极化的方式才能实现，而高压极化在操作过程中存在危险性，而且对于能源的消耗也较大，不利于能源节约，并且其制得的产品为薄膜制品无确定尺寸和形状，厚度均一性与表面质量控制也较为困难，限制了使用场合。
[0008]又比如公开号为CN111270414 A、专利名称为“一种柔性压电纤维膜及其制备方法和应用”的中国专利申请，公开了一种采用静电纺丝技术+Ti3C2纳米片填料的方法来制备柔性压电纤维膜，该方法采用静电纺丝的方法，虽然克服了需要高压极化带来的问题（其最优实施例的压电性能对比其对比例提高约3.7倍），但是，要求所添加的Ti3C2纳米片表面有丰富的表面官能团如
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OH，
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F等来与PVDF之间形成强烈的氢键作用，以方便实现对PVDF分子链的取向排列，最终形成高含量的β相，即其对原料的要求较高，导致原料制作工艺复杂、成本提高，不利于产业化应用。
[0009]
技术实现思路

[0010]本专利技术的目的之一，就在于提供一种基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件的制备方法，在解决上述问题的同时，进一步显著提高PVDF柔性压电器件的压电性能。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种MXene增强的PVDF基柔性压电器件的制备方法，包括以下步骤：（1）将原料MXene和PVDF充分混合并干燥，其中，所述MXene的浓度为0.5wt%
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5wt%；（2）将步骤（1）所得的颗粒进行粉碎，得到粒料；（3）采用微型注塑成型方法，将步骤（2）所得的粒料以50
‑
400mm/s的注射速度制得产品。
[0012]作为优选的技术方案，步骤（1）中，所述MXene的浓度为1wt%
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2wt%。
[0013]作为优选的技术方案，步骤（1）中，采用溶液法进行混合并干燥。
[0014]作为优选的技术方案，所述溶液法中使用超声设备进行MXene的分散与层分离，所使用的超声频率和时间分别为40KHz和24h，搅拌速度为200
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600 rpm。
[0015]作为优选的技术方案，步骤（2）中，采用粉碎切割机进行粉碎。
[0016]作为优选的技术方案，步骤（3）中，注射速度为200
‑
400mm/s。
[0017]作为优选的技术方案，步骤（3）中，注射成型各区温度为190℃
‑
200℃。
[0018]本专利技术的上述方法，采用溶液法，并在超声状态下使MXene充分分散于PVDF中，控制形成三维网状结构，使PVDF在发生形变的情况下高效的将机械能转换为电能；由于采用的是MXene片层结构材料，可以在本专利技术所述方法下使MXene与PVDF分子链充分接触和粘附；由于采用了具有极高剪切速率的注塑工艺，可以在诱导MXene片层增强体在PVDF基体定向排列的同时，控制PVDF从无归排列的α型片晶向高度取向的β和γ晶转变，进而实现PVDF基体中MXene电荷转移通道和压电敏感凝聚态结构的同时形成，并通过二者的协效强化，最终显著提高PVDF复合材料及其器件的压电性能。
[0019]此外，相比现有技术所制造的膜类制品，本专利技术还具有加工方便，易于改变形状尺寸的优势，所制得的产品可应用于对稳定的外形结构有需求的场景，如各类制造装备、多种形状配件、器械、文教用品和运载工具零部件等需要固定外形结构的场合。
[0020]本专利技术的目的之二，在于提供上述方法制得的柔性压电材料。
[0021]本专利技术采用MXene和PVDF为原料，其中，上述的MXene作为功能填料，PVDF作为基体材料，并在超声条件下，使MXene分散于PVDF溶液中，通过溶液法共混、干燥和造粒，随后以微型注塑工艺使用适合的注射速度将其注射成型具有特定形状的产品，为了便于性能测试，本专利技术以制成哑铃型样品为例。
[0022]本专利技术通过调控复配工艺，及其过程中的MXene含量，以及成型过程中的注射速率，使得MXene充分分散于PVDF相中，形成三维网状结构，同时控制PVDF形成具有优异压电性能的取向β和γ晶体结构，以实现提高PVDF复合材料的压电性能。
[0023]本专利技术创造性地将微型注塑工艺应用于PVDF基柔性压电材料的制备，微型注塑可在样品成型过程中施加极强的剪切作用，而高速剪切作用可以使得Mxene和PVDF晶体形成
强烈的取向分布。因此，这种强烈的剪切作用可以使本专利技术所述材料及器件产生更强的压电效果，与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术通过溶液法与微型注塑法的结合，一方面使得MXene材料在PVDF复合材料内部构建出了定向排列的三维电荷转移通道，并且由于MXene本身的片层结构，可与PVDF分子链形成更大的接触面积，从而提供更好的界面电荷传递效果；另一方面，PVDF分子链在这一过程中也被充分拉伸，最终诱使PVDF形成具有介电灵敏性的取向β和γ晶体这一特殊的复合结构。上述，充分发挥了MXene片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将原料MXene和PVDF充分混合并干燥，其中，所述MXene的浓度为0.5wt%
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5wt%；（2）将步骤（1）所得的颗粒进行粉碎，得到粒料；（3）采用微型注塑成型方法，将步骤（2）所得的粒料以50
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400mm/s的注射速度制得产品。2.根据权利要求1所述的基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述MXene的浓度为1wt%
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2wt%。3.根据权利要求1所述的基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，采用溶液法进行混合并干燥。4.根据权利要求3所述的基于MXene与微型注塑的高性能PVDF基柔性压电器件的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩锐，郑浪，李光照，陈刚，李怡俊，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：