静电纺聚偏氟乙烯纤维膜制备及压电性能优化研究

摘要

静电纺制备聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维压电薄膜具有制备工艺简单方便、成本低，且所制备的纤维膜柔软、质轻、透气性好，是用于可穿戴传感器的理想选择。为了基于PVDF纳米纤维薄膜开发压电传感器，需要获得最优压电性能的确定性制备工艺，并掌握其应用于传感器开发时的激励响应性能。然而，由于使用不同纺丝工艺制备的PVDF纤维膜的压电性能相差较大，且现有研究结论以单因素实验研究为基础，由于实验条件、参数设置和表征方法的不同得出了不同的研究结论，尚未综合分析这些工艺因素对PVDF纤维膜压电性能的影响并确定其影响规律。同时，对PVDF纤维膜压电性能与激励频率的关系没有深入探索。这些都成为制约静电纺PVDF纤维膜进一步开发传感器及其应用的因素。
　　本课题针对上述问题，根据前人基于单因素分析确定的影响压电性能的主要工艺参数为基础，采用控制变量法和正交试验法进行实验设计，制备静电纺PVDF纤维膜，并利用FTIR和XRD测试方法对PVDF纤维的β相含量和结晶度进行表征，以及压电测试装置对PVDF纤维膜的动态响应进行测试，得到了不同纺丝参数对PVDF晶型结构和动态响应性能的影响规律以及各参数的最优水平组合和影响程度大小。同时，通过不同频率下的响应测试，明确了激励频率对PVDF纤维膜动态响应的影响情况。
　　具体来说，论文开展了以下研究工作。
　　（1）为了确定主要工艺参数对主导压电性能的晶型结构的影响，采用控制变量法和正交试验分析法进行实验设计，并进行微观表征，研究发现纺丝参数对PVDF晶型结构的影响程度不同，且β相含量和结晶度与纺丝电压之间呈倒“U”形关系，与针头直径之间呈线性递减关系，同时，β相含量与纺丝速度之间呈线性递减关系，结晶度与纺丝速度之间呈倒“U”形关系。
　　利用FTIR和XRD测试方法，对不同纺丝参数下制备的PVDF纤维膜的β相含量和结晶度进行表征。实验结果表明，在一定参数范围内，存在一个最优的纺丝电压（20kV）使得PVDF纤维膜的β相含量和结晶度最大。同时，通过减小纺丝速度和针头直径，可达到提高β相含量的目的。另外，纺丝速度对β相含量和结晶度的影响规律不同。
　　正交试验结果表明，纺丝电压、纺丝速度和针头直径对PVDF的晶型结构均具有显著性影响，且影响程度主次顺序为：纺丝速度>纺丝电压>针头直径。并且在给定的实验条件下，制备β相含量最高的PVDF纤维膜的最优工艺水平为：纺丝电压20kV,纺丝速度0.5ml/h，针头直径0.3mm。
　　（2）为了明确纺丝参数对PVDF纤维膜动态响应性能的影响以及β相含量与动态响应之间的关系，采用控制变量法和正交试验分析法进行实验设计，并进行宏观响应表征，研究发现动态响应性能与纺丝电压和纺丝速度之间呈倒“U”形关系，与针头直径之间呈线性递减关系。同时，纺丝速度对β相含量的影响规律不同于对动态响应性能的影响规律。
　　通过压电测试装置对PVDF测试样施加相同频率和幅值（4Hz,15N）的激励压力，以测试样的响应输出信号值作为表征PVDF纤维膜的动态响应性能的指标。实验结果表明，在一定参数范围内，纺丝电压和纺丝速度分别存在一个最优值（20kV、1.0ml/h）使得PVDF动态响应性能最强，同时，针头直径愈大则动态响应性能愈小，并在针头直径0.3mm时达到最大值。
　　正交试验结果表明，纺丝电压、纺丝速度和针头直径对PVDF动态响应性能均具有显著性影响，且影响程度主次顺序为：纺丝速度>纺丝电压>针头直径。另外，在给定的实验条件下，制备动态响应性能最强的PVDF纤维膜的最优工艺水平为：纺丝电压20kV,纺丝速度1.0ml/h，针头直径0.3mm。
　　（3）为明确激励频率对不同纺丝参数下制备的PVDF纤维膜动态响应强度的影响，对PVDF测试样施加相同幅值不同频率的激励压力，并以测试样的响应输出信号值作为表征指标，评价激励频率对动态响应的影响规律。研究发现，PVDF纤维膜在低频（<1.0Hz）激励压力作用时，输出信号值随频率增大呈显著增大趋势，而在高频（1.0-10.0Hz）激励压力作用时，纤维膜获得稳定的输出信号，信号幅值不随频率增大发生明显波动。
　　通过压电测试装置对不同纺丝参数水平下制备的PVDF纤维膜施加幅值为15N，频率为0.3-10.0Hz的激励压力，以进行频率响应测试，并观察输出信号值与激励频率之间的变化关系。实验结果表明，低频（0.3-1.0Hz）激励压力作用时，动态响应输出信号值随频率增加显著增大，而在高频（1.0-10.0Hz）激励压力作用时，动态响应信号达到稳定状态，不随频率变化而发生较大波动。
　　综合以上结论可知，通过本文的研究基本给出了纺丝电压、纺丝速度和针头直径对静电纺PVDF纤维膜晶型结构和动态响应性能的影响规律，并且得出了在现有实验条件下制备β相含量最高、结晶度最大和动态响应最强的PVDF纤维膜的最优工艺水平。同时，通过对比纺丝速度对β相含量和动态响应的影响规律可知，仅通过对β相含量的比较不能完全达到评价PVDF动态响应性能的目的，因此在评价PVDF纤维膜压电性能时，还需综合考虑结晶度或偶极子取向度的影响。另外，不同激励频率下的响应测试表明，静电纺PVDF压电传感器更适合用于高频（>1.0Hz）动态压力的监测。

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第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究目标

1.3 研究内容和方法

1.4 课题意义

1.5 论文章节安排

第二章 文献综述

2.1 静电纺PVDF压电纤维膜简介

2.2 静电纺PVDF纤维膜压电性能表征方法

2.3 PVDF纤维膜压电性能的优化研究现状及存在的问题

2.4 纺丝电压、纺丝速度和针头直径对压电性能的影响研究

2.5 本章小结

第三章 静电纺PVDF纤维膜晶型结构的工艺优化研究

3.1 实验材料及仪器

3.2 静电纺PVDF纤维膜的制备

3.3 晶型结构表征方法

3.4 结果与讨论

3.5 正交试验法分析纺丝参数对PVDF晶型结构的影响

3.6 本章小结

第四章 PVDF纤维膜动态响应能力的优化及频率响应的表征

4.1 压电测试实验

4.2 纺丝参数对PVDF纤维膜动态响应能力的影响

4.3正交试验法分析纺丝参数对动态响应能力的影响

4.4 激励频率对PVDF动态响应能力的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文情况

致谢