美食文化取向后的PAN膜的压电输出值可达到近7V

压电聚合物具有压电性合理、机械柔性高、对电压变化敏感、阻抗低等优点,在气体、 美食文化 液体和生物传感器中有着广泛的应用。 近日,天津工业大学纺织科学与工程学院副教授......

  压电聚合物具有压电性合理、机械柔性高、对电压变化敏感、阻抗低等优点,在气体、美食文化液体和生物传感器中有着广泛的应用。

  近日,天津工业大学纺织科学与工程学院副教授王闻宇、教授林童的课题组,发现了聚丙烯腈(PAN)可以在强电场极化下具有较强的压电效应,打破了目前压电聚合物仅以聚偏二氟乙烯(PVDF)作为研究热点的现状。相关研究已在线发表于国际著名能源期刊《纳米能源》,并被选为该期刊的封面论文。

  课题组针对PAN具有较强压电性能的机理进行了系统的分析。与 PVDF利用晶区控制压电性能的机理不同,提出了通过设计PAN的分子构象来增强力电转换能力。

  林童告诉《中国科学报》,PAN属于非结晶聚合物,分子链上具有强极性基团,通过改变分子链构象,即可提高PAN的压电效应。这种新的压电机理的发现,拓宽了压电聚合物的种类,为继续开发新的更高性能的压电聚合材料提供了一个新的思路,也为今后压电聚合物的设计、机理的研究及应用提供了新的视角。

  PVDF是一种典型的压电聚合物,具有较强的压电拉伸和极化性能。林童解释称,PVDF的压电性来自于它的相晶体结构,当处于晶型时,其单位偶极矩高达2.1德拜。而PAN是一种无定形聚合物,它的分子链中包含大量氰基(-CN),这使其具有很强的极性。

  林童表示,PAN有两个典型的构象:平面锯齿形构象和螺旋形构象。PAN在平面锯齿形构象时的单位偶极矩约为3.5德拜,大于相PVDF。另外,与PVDF相比,PAN具有更小的介电损耗、更高的热稳定性和更低的价格。

  为了更好地确保数据的准确性,在测试之前,研究人员对PAN和PVDF两种材料采用完全一样的制备条件,并进行了静电消除、样品的封装、抽真空、厚度、压力作用力频率、作用力的大小等外界干扰因素,并进行多个样品反复测试,保证样品的数据准确性,其结果都证明了PAN具有比PVDF更加优异的压电性能。

  研究人员发现,利用静电纺丝制备的PAN纳米纤维膜,其压电性优于PVDF纳米纤维膜。对其施以压力,一小块电纺PAN非织造纤维膜可以产生2.0 V和1.1A的电力输出。当纤维膜内纤维取向增加时,会产生更大的电输出(6.0 V和5.1A)。与相同尺寸和相同压力条件下的电纺PVDF纳米纤维膜相比,PAN纳米纤维膜具有更大的电输出。

  其中,有取向的PAN电纺膜的优势更加突出。林童表示,取向后的PAN膜的压电输出值可达到近7V。在动能致电转换测试当中,PAN压电薄膜所制成的器件,在2Hz的压力作用2分钟,可以为一个商业LED灯供电3.5分钟,充分体现PAN具有超低的介电损耗及高压电输出能力。

  可以说,PAN无论从材料本身、压电机理,还是压电性能,均与以往业内所理解的压电聚合物材料所不同。

  “压电聚合物通常应具有带有压电效应的晶区的结晶性聚合物,比如前面提到的PVDF的相具有更好的压电效应,因此,加工过程中,如何提高相,是提高聚合物压电性能的主要工作。”林童说。

  他进一步指出,PAN具有压电聚合物密度低、柔性好、阻抗低、易与轻质负载相匹配的特性,但同样具有单一的高聚物压电常数低、各向异性和温度稳定性差等缺陷,还不能完全适应不同环境、不同应用领域的需求。因此,利用新型PAN压电材料,开发高压电常数、高温度稳定性、低介电常数的PAN基压电材料是未来研究方向。

  “如PAN的共聚物,改变分子偶极矩,提高其压电性能;开发新型的PAN压电复合材料,突破聚合物的温度限制等,而对于新型PAN压电材料来讲,无论是机理还是应用效果都需要研究学者进一步快速跟进。”林童强调说。

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