科學網—PAN為高性能壓電聚合材料提供新思路

2020-11-22 科學網

 

■本報記者 李惠鈺

壓電聚合物具有壓電性合理、機械柔性高、對電壓變化敏感、阻抗低等優點，在氣體、液體和生物傳感器中有著廣泛的應用。

近日，天津工業大學紡織科學與工程學院副教授王聞宇、教授林童的課題組，發現了聚丙烯腈（PAN）可以在強電場極化下具有較強的壓電效應，打破了目前壓電聚合物僅以聚偏二氟乙烯（PVDF）作為研究熱點的現狀。相關研究已在線發表於國際著名能源期刊《納米能源》，並被選為該期刊的封面論文。

課題組針對PAN具有較強壓電性能的機理進行了系統的分析。與 PVDF利用β晶區控制壓電性能的機理不同，提出了通過設計PAN的分子構象來增強力—電轉換能力。

林童告訴《中國科學報》，PAN屬於非結晶聚合物，分子鏈上具有強極性基團，通過改變分子鏈構象，即可提高PAN的壓電效應。這種新的壓電機理的發現，拓寬了壓電聚合物的種類，為繼續開發新的更高性能的壓電聚合材料提供了一個新的思路，也為今後壓電聚合物的設計、機理的研究及應用提供了新的視角。

PAN性能更優

PVDF是一種典型的壓電聚合物，具有較強的壓電拉伸和極化性能。林童解釋稱，PVDF的壓電性來自於它的β相晶體結構，當處於β晶型時，其單位偶極矩高達2.1德拜。而PAN是一種無定形聚合物，它的分子鏈中包含大量氰基（-CN），這使其具有很強的極性。

林童表示，PAN有兩個典型的構象：平面鋸齒形構象和螺旋形構象。PAN在平面鋸齒形構象時的單位偶極矩約為3.5德拜，大於β相PVDF。另外，與PVDF相比，PAN具有更小的介電損耗、更高的熱穩定性和更低的價格。

為了更好地確保數據的準確性，在測試之前，研究人員對PAN和PVDF兩種材料採用完全一樣的製備條件，並進行了靜電消除、樣品的封裝、抽真空、厚度、壓力作用力頻率、作用力的大小等外界幹擾因素，並進行多個樣品反覆測試，保證樣品的數據準確性，其結果都證明了PAN具有比PVDF更加優異的壓電性能。

研究人員發現，利用靜電紡絲製備的PAN納米纖維膜，其壓電性優於PVDF納米纖維膜。對其施以壓力，一小塊電紡PAN非織造纖維膜可以產生2.0 V和1.1μA的電力輸出。當纖維膜內纖維取向增加時，會產生更大的電輸出（6.0 V和5.1μA）。與相同尺寸和相同壓力條件下的電紡PVDF納米纖維膜相比，PAN納米纖維膜具有更大的電輸出。

其中，有取向的PAN電紡膜的優勢更加突出。林童表示，取向後的PAN膜的壓電輸出值可達到近7V。在動能致電轉換測試當中，PAN壓電薄膜所製成的器件，在2Hz的壓力作用2分鐘，可以為一個商業LED燈供電3.5分鐘，充分體現PAN具有超低的介電損耗及高壓電輸出能力。

應用仍需進一步研究

可以說，PAN無論從材料本身、壓電機理，還是壓電性能，均與以往業內所理解的壓電聚合物材料所不同。

「壓電聚合物通常應具有帶有壓電效應的晶區的結晶性聚合物，比如前面提到的PVDF的β相具有更好的壓電效應，因此，加工過程中，如何提高β相，是提高聚合物壓電性能的主要工作。」林童說。

他進一步指出，PAN具有壓電聚合物密度低、柔性好、阻抗低、易與輕質負載相匹配的特性，但同樣具有單一的高聚物壓電常數低、各向異性和溫度穩定性差等缺陷，還不能完全適應不同環境、不同應用領域的需求。因此，利用新型PAN壓電材料，開發高壓電常數、高溫度穩定性、低介電常數的PAN基壓電材料是未來研究方向。

「如PAN的共聚物，改變分子偶極矩，提高其壓電性能；開發新型的PAN壓電複合材料，突破聚合物的溫度限制等，而對於新型PAN壓電材料來講，無論是機理還是應用效果都需要研究學者進一步快速跟進。」林童強調說。

《中國科學報》 (2019-02-11 第7版 能源化工)

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