摘要
PVDF和PAN同为压电聚合物，受到越来越多的关注。本研究选用低介电损耗、大偶极矩(3.5Debye)的聚丙烯腈，并利用静电纺丝技术成功地制备了具有高平面锯齿构象含量的PAN纳米纤维膜，PAN分子中存在两种结构，当平面锯齿构象含量大于31螺旋构象（即平面锯齿构象占主导地位）时，制备的PAN纳米纤维膜将产生更高的压电输出，并且压电性也更好，从而获得了具有高压输出的聚丙烯腈薄膜，此外，还制备了一种简单的压力传感器装置，该技术证明了聚丙烯腈薄膜的商业化前景。本论文通过向PAN中添加无机填料(BaTiO3、离子液体(IL)、FeCl3·6H2O、Eu(NO3)3·6H2O)，通过SEM、FTIR、XRD、LCR等测试手段对添加无机填料后的PAN进行了结构与性能的表征，其研究内容包括:(1)无机填料含量对PAN复合纤维膜形貌、压电性能、介电性能，以及传感器器件灵敏度的影响;(2)添加不同无机填料，对PAN复合纤维膜性能的影响;(3)研究了单一填料及双组分填料对PAN复合纤维膜性能的影响，进而探究了双组分填料系统作用的机理。研究结果表明: (1)适量添加KH550改性的BaTiO3，复合纤维膜介电性能得到改善，其介电常数由3.40提高到8.52以上，最高可达9.52，但此时由于BaTiO3含量过高会导致团聚现象，从而导致介电损耗的大幅提高(可达0.50)，介电损耗的提升将极大地限制其应用，同时BaTiO3的加入还赋予复合纤维膜以铁电性能，PAN/BaTiO3复合纤维膜的极化强度(Psat)为0.46μC/cm2是纯PAN纤维膜（0.24μC/cm2）的近两倍、击穿电场(Eb)为1450kV/cm远高于纯PAN纤维膜(780kV/cm); (2)当PAN浓度保持不变时，通过适量添加IL，复合纤维膜的介电常数可达6.14，在提高PAN复合纤维介电常数的同时，其介电损耗基本保持不变(仅为0.03～0.05)优于PAN/BaTiO3体系。当少量添加IL，就会促使PAN纤维产生一定的取向特性，纤维整齐分布在接收器上，并且因为静电场的影响，PAN分子内平面锯齿构象含量均有所提升(＞90％)，最高可达93.08％,可以改善其压电特性，并且由于纤维的取向，复合纤维膜的机械性能得以提升，其杨氏模量为3.88MPa、应变为110％，同时制备的传感器器件的灵敏度可达0.56kP-1高于PAN/BaTiO3体系(0.47kP-1); (3)添加FeCl3·6H2O、IL后，由于溶液电导率的增加，会导致PAN纤维尺寸的减小，大多数情况下纤维直径随添加物含量的增大而增大，但当溶液中带电粒子增多时，纤维直径反而减小，双填料的加入可以大幅提高PAN纤维的介电性能，其介电常数为8.24，而且高于先前单添加IL体系(6.14)，损耗值仍处于较低水平(＜0.05); (4)添加Eu(NO3)3·6H2O后不仅赋予PAN复合膜以荧光性能，还能提高传感器器件的灵敏度(0.69kPa-1)，高于单加IL体系(0.56kP-1)和PAN@Fe/IL体系(0.51kP-1)。
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