蔡曼曼，徐 磊

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387）

聚偏氟乙烯（PVDF）作為一種化學(xué)性能穩(wěn)定的壓電聚合物，具有優(yōu)異的鐵電、壓電和熱電等性能，可廣泛應(yīng)用于電子材料[1]，已在駐極體吸附過濾材料[2]、納米發(fā)電機(jī)、電子皮膚、壓力傳感器和能量收集器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。PVDF特殊的電學(xué)性質(zhì)來源于其內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)，R.Gregorio Jr.提到，在PVDF的5種晶型中，β晶型是PVDF產(chǎn)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(diào)節(jié)不同的摻雜量，以掃描電鏡和X-射線衍射儀（XRD）對(duì)薄膜表面形貌和晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)極化處理后的納米纖維膜采用阻抗譜分析儀和靜電計(jì)，分析樣品的介電性能和駐極效果，探討此類產(chǎn)品在過濾除塵和壓電材料上的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：聚偏二氟乙烯（PVDF）（分子質(zhì)量600 ku，熔點(diǎn)175 ℃，美國蘇威）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）；丙酮（試劑級(jí)，天津市福晨化學(xué)試劑廠）；納米SiO2（50 nm粒徑，上海阿拉丁試劑）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：自制的針頭滾筒式靜電紡絲小樣機(jī)；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(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%的SiO2/PVDF的混合紡絲液。

采用前期優(yōu)化工藝，在實(shí)驗(yàn)室溫度為25 ℃、空氣相對(duì)濕度為35%的條件下進(jìn)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(shí)間為8 h，滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min，針頭動(dòng)程為12 cm，得到的納米纖維膜厚度為17.5 μm。

1.3 測(cè)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(cè)試儀，對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)下，纖維粗細(xì)均勻且團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，此時(shí)的纖維膜質(zhì)輕、透氣性良好，適合與柔性織物相結(jié)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(duì)PVDF納米纖維介電特性的影響

圖2 為摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2的PVDF納米纖維膜的介電系數(shù)和介電損耗角與頻率間的關(guān)系。從圖2（a）中可以看出，摻雜SiO2會(huì)使納米纖維膜的介電常數(shù)整體增加，在同一頻率時(shí)，隨著SiO2摻雜量的增加，介電系數(shù)呈現(xiàn)先顯著增加后小幅回落的趨勢(shì)。從圖2（b）中發(fā)現(xiàn)，介電損耗角正切值也呈先減小后增大的趨勢(shì)，同介電常數(shù)影響規(guī)律相似，證實(shí)在低電壓交變電場(chǎng)下，介電常數(shù)對(duì)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(shù)和損耗角正切

2.3 極化對(duì)PVDF納米纖維膜的表面靜電荷作用

圖3 為在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下極化不同時(shí)間后，納米纖維膜表面帶有穩(wěn)定的靜電荷。由于在測(cè)試過程中，靜電荷是在試樣內(nèi)部自由產(chǎn)生的，積累靜電荷的大小同薄膜材質(zhì)、介電常數(shù)、極化程度有關(guān)?？梢钥闯?，極化電壓越大，極化時(shí)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(jié)語

通過摻雜納米SiO2，以靜電紡絲工藝制備PVDF納米纖維膜，對(duì)試樣表面形貌、晶相結(jié)構(gòu)和介電駐極特性進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

（1）摻雜2%納米SiO2時(shí)紡出的纖維粗細(xì)均勻，且不容易團(tuán)聚，能夠形成穩(wěn)定的紡絲。

（2）納米SiO2的加入降低了PVDF原有的β相，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)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(shù)和損耗角正切可以達(dá)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(lǐng)域有望得到更好的應(yīng)用。