一种复合纳米纤维膜及其制备方法和柔性压电器件

本发明属于纳米功能材料，更具体地说，是涉及一种复合纳米纤维膜及其制备方法和柔性压电器件。

背景技术：

1、近年来，柔性压电材料在柔性电子学的发展中占据了重要地位，以pvdf(聚偏氟乙烯)及其共聚物为基体的柔性压电材料表现出了高度的可用性。可以作为压力传感器收集人体运动信息，也可以作为能源设备，收集人体运动的能量，摆脱电子设备对电池的依赖，开发下一代集成电子器件。传统的压电式压力传感器主要是使用压电陶瓷片进行构建，这就不可避免地产生了易碎，难以实现皮肤贴敷等难以克服的问题，阻碍了可穿戴压力传感的应用。

2、为了应对上述挑战，聚合物基的压电式传感器得到了极大的关注，pvdf是一种柔性良好的压电聚合物，pvdf及其共聚物均具有良好的柔性和皮肤贴合特性，但相比于压电陶瓷，pvdf及其共聚物具有羸弱的压电输出和传感器灵敏度。在目前的研究中，通过在pvdf及其共聚物内部掺杂压电陶瓷或者其他纳米颗粒，以提升pvdf压电输出成为了主要的研究方法。

3、目前，研究主要集中在使用球状纳米颗粒填料上，应力传导模式单一，压电输出相对较低，例如中国专利cn201911342594.3中描述的一种球状bto与pvdf复合的柔性压电器件，最高输出仅为14v。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种复合纳米纤维膜及其制备方法和柔性压电器件，旨在解决现有的柔性压电器件应力传导模式单一，压电输出相对较低的技术问题。

2、为实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，将钛酸四丁脂溶解于醇类溶剂中，得到钛酸四丁脂溶解液；

4、步骤s2，将钛酸四丁酯溶解液高温灭菌，洗涤干燥后得到含钛粉末；

5、步骤s3，将含钛粉末高温煅烧，洗涤干燥后得到花状锐钛矿二氧化钛粉末；

6、步骤s4，将花状锐钛矿二氧化钛粉末和氢氧化钡混合加入去离子水中，磁力搅拌均匀后，进行超声处理得到含钛混合溶液；

7、步骤s5，将含钛混合溶液高温煅烧得到钛酸钡纳米花粉末；

8、步骤s6，将钛酸钡纳米花粉末与盐酸多巴胺粉末混合后，加入tris-hcl溶解，进行磁力搅拌后，经离心洗涤得到bto@pda纳米花粉末；

9、步骤s7，将p(vdf-trfe)纳米颗粒加入到dmf内，磁力搅拌后，制得p(vdf-trfe)静电纺丝液；

10、步骤s8，将bto@pda纳米花粉末加入到p(vdf-trfe)静电纺丝液，搅拌均匀后，使用静电纺丝技术制备复合纳米纤维膜。

11、可选地，醇类溶剂为乙醇、去离子水、甲醇、异丙醇中的任意一种与甘油的混合溶剂。

12、可选地，醇类溶剂为乙醇和甘油的混合溶剂,乙醇的添加量为10ml～50ml，甘油的添加量为5ml～15ml，钛酸四丁酯添加量为1g～3g。

13、可选地，步骤s2将钛酸四丁酯溶解液高温灭菌和洗涤后干燥得到含钛粉末中，采用高压釜对钛酸四丁酯溶解液加热，加热温度为180℃，加热时长为24h，高压釜的填充系数为0.4，洗涤离心转速为5000转/分钟，洗涤次数为5次。

14、可选地，步骤s3将含钛粉末高温煅烧和洗涤后干燥得到花状锐钛矿二氧化钛粉末中，采用高压釜对含钛粉末高温煅烧，高温煅烧温度为450℃，煅烧时长为3h，洗涤离心转速为5000转/分钟，洗涤次数为5次。

15、可选地，步骤s4将花状锐钛矿二氧化钛粉末和氢氧化钡混合加入去离子水中以及磁力搅拌均匀后和进行超声处理得到含钛混合溶液中，花状锐钛矿二氧化钛粉末的添加量为0.1g～0.2g，氢氧化钡的添加量为0.5g～0.7g，去离子水的添加量为40ml，磁力搅拌频率为500次/分钟，搅拌时长为1小时。

16、可选地，钛酸钡纳米花粉末在所配置溶解液中浓度为10g/l，盐酸多巴胺浓度为0.1mol/l。

17、可选地，p(vdf-trfe)纳米颗粒的添加量为0.1g～3g，dmf的添加量为2ml～18ml。

18、根据本发明的第二方面，提供了一种复合纳米纤维膜，其采用上述制备方法制备而成。

19、根据本发明的第三方面，提供了一种柔性压电器件，其包括上述制备的复合纳米纤维膜，复合纳米纤维膜的上下两侧分别设有铝铂电极，封装后制得柔性压电器件。

20、与现有技术相比较，本发明提供的复合纳米纤维膜及其制备方法和柔性压电器件的有益效果在于：

21、(1)本发明所制备的bto纳米花形态良好，具有明显的花瓣结构，具有优异的力学增强特性，对于压电器件输出的提升效果显著；

22、(2)本发明所制备的bto@聚多巴胺(pda)纳米花形态良好，具有包覆壳层结构，具有优异的填料表面改性效果，对于压电器件输出的提升效果显著。

23、(3)本发明所制备的bto@pda纳米花/p(vdf-trfe)复合纳米纤维膜形态良好，具有明显的填充结构，具有优异的柔性和皮肤贴合特性，对于压电器件输出的提升效果显著；

24、(4)本发明首次实现了bto@pda纳米花/p(vdf-trfe)复合纳米纤维膜在压电器件中的应用。

25、(5)本发明首次实现了作用于纳米填料的力学增强和表面改性方法在柔性压电器件中的应用，在提升压电器件性能，强化压电器件可用性方面具有重要作用。

技术特征：

1.一种复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述醇类溶剂为乙醇、去离子水、甲醇、异丙醇中的任意一种与甘油的混合溶剂。

3.根据权利要求2所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述醇类溶剂为乙醇和甘油的混合溶剂，所述乙醇的添加量为10ml～50ml，所述甘油的添加量为5ml～15ml，所述钛酸四丁酯添加量为1g～3g。

4.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤s2将所述钛酸四丁酯溶解液高温灭菌和洗涤后干燥得到含钛粉末中，采用高压釜对所述钛酸四丁酯溶解液加热，其中，加热温度为180℃，加热时长为24h，所述高压釜的填充系数为0.4，洗涤离心转速为5000转/分钟，洗涤次数为5次。

5.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤s3将所述含钛粉末高温煅烧和洗涤后干燥得到花状锐钛矿二氧化钛粉末中，采用高压釜对所述含钛粉末高温煅烧，其中，高温煅烧温度为450℃，煅烧时长为3h，洗涤离心转速为5000转/分钟，洗涤次数为5次。

6.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤s4将所述花状锐钛矿二氧化钛粉末和氢氧化钡混合加入去离子水中，磁力搅拌均匀后，进行超声处理得到含钛混合溶液中，所述花状锐钛矿二氧化钛粉末的添加量为0.1g～0.2g，所述氢氧化钡的添加量为0.5g～0.7g，所述去离子水的添加量为40ml，磁力搅拌频率为500次/分钟，搅拌时长为1小时。

7.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述钛酸钡纳米花粉末在所配置溶解液中浓度为10g/l，所述盐酸多巴胺浓度为0.1mol/l。

8.根据权利要求1所述的复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述p(vdf-trfe)纳米颗粒的添加量为0.1g～3g，所述dmf的添加量为2ml～18ml。

9.一种复合纳米纤维膜，其特征在于，其采用如权利要求1至8任一项所述的制备方法制备而成。

10.一种柔性压电器件，其特征在于，其包括如权要求9所述的复合纳米纤维膜，所述复合纳米纤维膜的上下两侧分别设有铝铂电极，封装后制得柔性压电器件。

技术总结本发明提供了一种复合纳米纤维膜及其制备方法及柔性压电器件，所述复合纳米纤维膜的制备方法通过钛酸钡纳米花粉末制备BTO@PDA纳米花粉末，采用P(VDF‑TrFE)纳米颗粒制备P(VDF‑TrFE)静电纺丝液，通过BTO@PDA纳米花粉末与P(VDF‑TrFE)静电纺丝液制备复合纳米纤维膜。本发明制备的BTO@PDA纳米花粉末形态良好，具有包覆壳层结构和优异的填料表面改性效果，能够显著提升应力传递效率，相比于纳米球颗粒，能使内部应力更集中，实现更高的压电输出；本发明所制备的复合纳米纤维膜形态良好，表面改性后的填料能够实现优异的包覆效果和力学增强特性，提升了复合纳米纤维膜压电性能，有利于提升压电器件的输出。技术研发人员：祁亚军,王建乔,刘哲良,李英喆,刘苗烜,周鹏,章天金受保护的技术使用者：湖北大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2