具有压电性和热释电性的PVDF纤维的研究

摘要

该论文主要研究了利用熔融法纺制PVDF纤维,并对纤维进行了极化,目的是探索提高PVDF可纺性的途径,确定最佳原料型号和工艺参数,制备出以PVDF为基本原料的纤维,将纤维进行极化,探索极化条件对PVDF纤维微观结构的影响.该论文采用聚偏氟乙烯为主要原料,利用熔融纺丝法对PVDF进行纺丝研究,并添加了另一种压电高聚物尼龙11(PA11)共混纺丝,并对其共混纤维性能进行了研究.PVDF是半结晶性高聚物,分子链呈线型而且有一定的柔顺性,其成纤性在理论上是可行的,但因温度对其剪切速率的影响不大,所以温度的改变并不能提高它的可纺性.PVDF可纺性较差,而PA11是一种良好的成纤高聚物.二者均为较好的压电材料,从PVDF/PA11共混纤维的可纺性和压电性两方面讨论,50wt/50wt的PVDF/PA11纤维性能最好.由于PVDF的压电性与晶体结构有关,于是利用红外光谱、差热分析、广角X光衍射和扫描电镜等测试手段对纯PVDF纤维以及PVDF/PA11共混纤维的结构性能及晶型转变进行了深入的研究.发现PVDF熔纺纤维与普通的PVDF原生膜不同,PVDF原生膜只含有α相,而PVDF熔纺纤维中既含有α相结晶又含有β相结晶,这是由于在纺丝过程中喷丝头拉伸和卷绕过程中的拉伸造成的.拉伸有利于PVDF纤维的α相结晶向β相结晶转变,且拉伸倍数越高β相含量越高;较低温度区域内(>100℃),温度提高有利于α相结晶向β相转变,较高温度区域内(>100℃),温度提高对α相向β相转变作用不大.共混纤维拉伸比率的提高,有利于PVDF中β相的生成,且β相的含量随拉伸倍数的提高而增加.但拉伸对共混纤维中PA11的晶型转变影响较小而淬火却有利于PA11的晶型转变,但对其中的PVDF晶型转变影响不大.该课题还进行了PVDF纤维与膜的极化研究,自行设计了极化装置,并对极化前后纤维利用静电测量、红外光谱和扫描电镜等方法进行对比研究,揭示了PVDF在电场作用下微观结构的变化情况.发现PVDF纤维在电场作用下微观结构变化较大,极化后微晶取向发生较大变化,极化以后微晶变化为沿电场方向取向的厚片状,熔融态的PVDF在电场作用下凝固时变化更明显,与不加电场直接凝固的PVDF膜相比,在电场作用下几乎所有的分子链都沿电场方向取向所以出现有序的片晶结构,而且结构致密.从红外吸收光谱来看极化后的吸收率比极化前减少.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1.压电材料的发展概况

1.1.1.驻极体的发现及驻极体的压电效应和热释电效应

1.1.2.压电与热释电高聚物的发展简史

1.1.3.PVDF的压电和热释电性能

1.1.4.压电高聚物PVDF的应用

1.1.5.压电高聚物的发展趋势

1.2.压电纤维的研究现状

1.2.1.压电纤维复合材料

1.2.2.对PVDF纤维的纺丝研究

1.2.3.对压电纤维极化工艺的研究

1.3.本课题研究的内容和意义

第二章PVDF膜和纤维的结构与性能研究

2.1.前言

2.2.实验部分

2.2.1.实验原料、试剂与仪器

2.2.2.PVDF膜和纤维的制备

2.2.3.PVDF膜与纤维的后处理

2.3.PVDF膜和纤维的性能测试

2.3.1.扫描电子显微镜

2.3.2.差示扫描量热法

2.3.3.广角X射线衍射测试

2.3.4.红外光谱测试

2.3.5.纤维纤度的测定

2.3.6.断裂伸长与断裂强度的测定

2.4.结果与讨论

2.4.1.PVDF的可纺性

2.4.2.陶瓷粉的加入及淬火处理对PVDF结晶形态的影响

2.4.3.PVDF的晶相研究

2.5.结论

第三章PVDF/PA11共混纤维的结构性能研究

3.1.前言

3.2.实验部分

3.2.1.材料与仪器的选用

3.2.2.PVDF/PA11共混纤维的制备

3.2.3.纯PA11纤维的制备

3.2.4.纤维的后处理

3.2.5.PVDF/PA11共混纤维的结构性能测试

3.3.结果与讨论

3.3.1.共混比对纺丝性能的影响

3.3.2.共混比对纤维强度的影响

3.3.3.共混纤维的结晶形态研究

3.4.结论

第四章PVDF膜和纤维的极化研究

4.1.前言

4.2.极化方法的选择

4.2.1.热极化法

4.2.2.电晕极化法

4.2.3.非穿透性单能电子束辐照极化法

4.2.4.液体接触极化法

4.3.极化装置的设计

4.4.实验部分

4.4.1.实验仪器

4.4.2.实验材料

4.4.3.PVDF纤维与膜的极化

4.4.4.PVDF压电纤维的极化效果的测试

4.5.结果与讨论

4.5.1.静电测试结果分析

4.5.2.静电场作用对PVDF纤维和膜结构性能的影响

4.6.结论

4.7.前景与展望

4.7.1.PVDF极化方面

4.7.2.复合压电纤维

第五章研究结论与创新点

5.1.研究结论

5.1.1.关于可纺性的结论

5.1.2.有关晶体结构的结论

5.1.3.极化结论

5.2.创新点

致谢

参考文献

附录：发表文章

天津工业大学研究生学位论文附件(随论文附)