納米二氧化硅摻雜聚偏氟乙烯高介電納米纖維膜的制備

蔡曼曼，徐 磊

（天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387）

聚偏氟乙烯（PVDF）作為一種化學性能穩定的壓電聚合物，具有優異的鐵電、壓電和熱電等性能，可廣泛應用于電子材料[1]，已在駐極體吸附過濾材料[2]、納米發電機、電子皮膚、壓力傳感器和能量收集器等領域廣泛應用。PVDF特殊的電學性質來源于其內部結晶結構，R.Gregorio Jr.提到，在PVDF的5種晶型中，β晶型是PVDF產生駐極性和壓電性能的根源，已知提高β晶主要有拉伸、粒子摻雜和電極化等方法。

本研究以50 nm粒徑SiO2納米顆粒為摻雜劑，通過陽離子表面活性劑分散配制PVDF紡絲溶液。通過調節不同的摻雜量，以掃描電鏡和X-射線衍射儀（XRD）對薄膜表面形貌和晶相結構進行分析，對極化處理后的納米纖維膜采用阻抗譜分析儀和靜電計，分析樣品的介電性能和駐極效果，探討此類產品在過濾除塵和壓電材料上的應用。

1 實驗部分

1.1 原料與設備

實驗材料：聚偏二氟乙烯（PVDF）（分子質量600 ku，熔點175 ℃，美國蘇威）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（分析純，天津市光復科技發展有限公司）；丙酮（試劑級，天津市福晨化學試劑廠）；納米SiO2（50 nm粒徑，上海阿拉丁試劑）。

實驗設備：自制的針頭滾筒式靜電紡絲小樣機；85-2磁力攪拌器（江蘇中大儀器廠）；PS-40A超聲波分散儀（深圳市深華泰公司）。

1.2 摻雜SiO2的PVDF制備

用電子天平稱取一定量的SiO2，加入DMF/丙酮（體積比約為7∶3）的混合溶液中，并加入分散劑，超聲波分散1 h，配成指定濃度的SiO2溶液。然后將1 g的PVDF加入SiO2溶液中，用磁力攪拌器攪拌12 h，最終得到質量分數為1%～5%的SiO2/PVDF的混合紡絲液。

采用前期優化工藝，在實驗室溫度為25 ℃、空氣相對濕度為35%的條件下進行靜電紡。靜電紡紡絲電壓為27 kV，紡絲速度為1 mL/h，紡絲距離為20 cm，紡絲時間為8 h，滾筒轉速為60 r/min，針頭動程為12 cm，得到的納米纖維膜厚度為17.5 μm。

1.3 測試表征

采用日本Hitachi公司的TM3030、德國Bruker-D-8 X射線、Novo control concept 40中科儀器和自制的薄膜表面靜電帶電量測試儀，對樣品進行測試。

2 結果與討論

2.1 SiO2/PVDF納米纖維膜表面形貌

圖1為不同SiO2摻雜量下的PVDF納米纖維膜表面形貌，可以看出，在2%摻雜質量分數下，纖維粗細均勻且團聚現象不明顯，此時的纖維膜質輕、透氣性良好，適合與柔性織物相結合。

圖1 不同SiO2摻雜量下得到的PVDF納米纖維膜的表面形貌

2.2 SiO2摻雜對PVDF納米纖維介電特性的影響

圖2 為摻入不同質量分數SiO2的PVDF納米纖維膜的介電系數和介電損耗角與頻率間的關系。從圖2（a）中可以看出，摻雜SiO2會使納米纖維膜的介電常數整體增加，在同一頻率時，隨著SiO2摻雜量的增加，介電系數呈現先顯著增加后小幅回落的趨勢。從圖2（b）中發現，介電損耗角正切值也呈先減小后增大的趨勢，同介電常數影響規律相似，證實在低電壓交變電場下，介電常數對介電損耗的影響僅次于頻率。

圖2 不同SiO2摻雜量下納米纖維膜的介電常數和損耗角正切

2.3 極化對PVDF納米纖維膜的表面靜電荷作用

圖3 為在不同電場強度下極化不同時間后，納米纖維膜表面帶有穩定的靜電荷。由于在測試過程中，靜電荷是在試樣內部自由產生的，積累靜電荷的大小同薄膜材質、介電常數、極化程度有關。可以看出，極化電壓越大，極化時間越長，試樣表面帶電量越大。

圖3 20 mm×20 mm的PVDF納米纖維膜表面靜電特性

3 結語

通過摻雜納米SiO2，以靜電紡絲工藝制備PVDF納米纖維膜，對試樣表面形貌、晶相結構和介電駐極特性進行研究，得出如下結論。

（1）摻雜2%納米SiO2時紡出的纖維粗細均勻，且不容易團聚，能夠形成穩定的紡絲。

（2）納米SiO2的加入降低了PVDF原有的β相，因此，對結構壓電特性有消除作用。

（3）納米SiO2的摻雜提高了PVDF的介電和駐極特性，納米纖維膜的介電常數和損耗角正切可以達到5.4和0.6，表面靜電荷量超過1.25 μC/cm2，在氣體過濾除塵領域有望得到更好的應用。