基于聚合物异质结构的新型驻极体的制备及性能研究

摘要

驻极体由于具有可以永久带电的性质,广泛的应用于传感器、MEMS器件、过滤器等多种功能元器件中。如驻极体可以用作麦克风中的振膜,声波作用于振膜时便可以在振膜与对电极间产生电信号。将驻极体材料应用于MEMS振动式发电机中,无需提供偏置电压便可将振动能转换成电能。除此之外,驻极体还可用作过滤器中的静电吸附材料,利用其本身所带电荷吸附空气中的微小颗粒。驻极体用于生物医学领域,可以对药物的透皮吸收产生促进作用,等等。
　　从理论上来讲,驻极体的应用非常广泛。但是由于目前所制备的驻极体电荷存储密度和电荷存储稳定性与很多实际应用的要求还有很大差距,使得多种基于驻极体的应用还处于实验室阶段,不能达到商业应用的要求。因此制备具有高电荷密度和高电荷存储稳定性的新型驻极体,对促进驻极体由实验室走向商品化具有重要意义。
　　本文中,首先研究了界面夹层极化FEP和PP驻极体的异质界面上的电荷存储特性,进而对PTFE/THV/PTFE三层复合膜的驻极体特性进行了研究。
　　本文的主要内容和结果如下:
　　(1)用界面夹层极化的方法,在不同的充电电压和充电温度下对FEP和PP双层膜进行充电。FEP膜与PP膜的异质界面带有同种电荷,且电荷由PP膜一侧注入,即两种膜异质界面的电荷极性与PP膜一侧的电极极性一致。提高充电电压可以增大界面处的自由电荷聚积密度,提高充电时的温度可以改善薄膜对电荷的捕获能力。高温高压下获得的PP和FEP驻极体膜具有良好的表面电位稳定性。
　　(2)为了研究界面夹层极化过程中电荷的积聚过程,用示波器对充电时的电流进行观测。结果表明充电温度越高,电介质的电导率越小,传导电流就越小。充电电压升高,传导电流会变大。传导电流由初始态到稳态的过程中变化的幅度可以反映出界面处电荷积累的量的多少,下降的幅度越大说明电荷积累的量越多。
　　(3)用平板硫化机在高温高压的条件下将PTFE膜和THV膜压合成厚度约为150μm的PTFE/THV/PTFE三层复合膜,并用热极化的方法在不同的充电条件下对其极化。实验发现充电温度为100℃,充电电压为3kV时,可以制得驻极体性能比较理想的PTFE/THV/PTFE驻极体膜。
　　(4)PTFE/THV/PTFE复合膜所存储的电荷主要可以分为三部分,第一部分为电极与复合膜之间气隙中的火花放电而产生的电荷,这部分电荷主要沉积在复合膜表面和近表面的浅阱中;第二部分是由电极注入的电荷,这部分电荷分布在样品的表面和近表面以及PTFE膜与THV膜的界面处;第三部分是冻结在THV夹层中的取向偶极电荷。PTFE/THV/PTFE复合膜驻极体中所存储的同号电荷大部分位于样品的表面,所以经酒精擦洗后的样品表面电位会降低至只有十几到几十伏。而酒精擦洗后样品表面电位的回升是THV夹层中的取向偶极子所产生静电场作用下,空气中的负离子在薄膜表面不断聚积的结果。
　　(5)复合膜的电位恢复能力与构成复合膜的各层材料的结构和性质有密切关系。要想使复合膜极化后具有良好的电荷存储稳定性,且当表面被酒精擦洗后具有较强的电荷恢复能力,复合膜各层应具有以下特点:复合膜的外层应是含氟的非极性材料(如PTFE、FEP等),而复合膜的夹心层应含有具有极性的含氟材料(如THV、PVDF等)。综合考虑复合膜的制备难度和复合膜的驻极体性能,由偏二氟乙烯含量高的THV材料(如THV220A、THV221A等)作为夹心层而制成的PTFE/THV/PTFE是一种比较理想的新型复合驻极体膜。

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1 绪 论

1.1驻极体简介

1.2 聚合物异质结构

1.3电介质的极化和驻极体中的电荷

1.4 驻极体材料的发展过程

1.5 驻极体的物理性质及其应用

1.6 驻极体的研究方法

1.7 论文的研究目的、意义和主要内容

2 实验材料和方法

2.1 实验材料及其制备方法

2.2 实验方法

2.3 小结

3 界面夹层极化PP、FEP膜的驻极体特性

3.1 充电电压对PP、FEP表面电位的影响

3.2 充电温度对PP、FEP表面电位的影响

3.3 表面电位稳定性

3.4 传导电流

3.5 本章小结

4 PTFE/THV/PTFE复合膜的驻极体特性

4.1 THV材料

4.2 电荷存储特性

4.3 单层膜性质对复合膜驻极体性能的影响

4.4 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录