纳米二氧化硅掺杂聚偏氟乙烯高介电纳米纤维膜的制备

蔡曼曼，徐 磊

（天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387）

聚偏氟乙烯（PVDF）作为一种化学性能稳定的压电聚合物，具有优异的铁电、压电和热电等性能，可广泛应用于电子材料[1]，已在驻极体吸附过滤材料[2]、纳米发电机、电子皮肤、压力传感器和能量收集器等领域广泛应用。PVDF特殊的电学性质来源于其内部结晶结构，R.Gregorio Jr.提到，在PVDF的5种晶型中，β晶型是PVDF产生驻极性和压电性能的根源，已知提高β晶主要有拉伸、粒子掺杂和电极化等方法。

本研究以50 nm粒径SiO2纳米颗粒为掺杂剂，通过阳离子表面活性剂分散配制PVDF纺丝溶液。通过调节不同的掺杂量，以扫描电镜和X-射线衍射仪（XRD）对薄膜表面形貌和晶相结构进行分析，对极化处理后的纳米纤维膜采用阻抗谱分析仪和静电计，分析样品的介电性能和驻极效果，探讨此类产品在过滤除尘和压电材料上的应用。

1 实验部分

1.1 原料与设备

实验材料：聚偏二氟乙烯（PVDF）（分子质量600 ku，熔点175 ℃，美国苏威）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（分析纯，天津市光复科技发展有限公司）；丙酮（试剂级，天津市福晨化学试剂厂）；纳米SiO2（50 nm粒径，上海阿拉丁试剂）。

实验设备：自制的针头滚筒式静电纺丝小样机；85-2磁力搅拌器（江苏中大仪器厂）；PS-40A超声波分散仪（深圳市深华泰公司）。

1.2 掺杂SiO2的PVDF制备

用电子天平称取一定量的SiO2，加入DMF/丙酮（体积比约为7∶3）的混合溶液中，并加入分散剂，超声波分散1 h，配成指定浓度的SiO2溶液。然后将1 g的PVDF加入SiO2溶液中，用磁力搅拌器搅拌12 h，最终得到质量分数为1%～5%的SiO2/PVDF的混合纺丝液。

采用前期优化工艺，在实验室温度为25 ℃、空气相对湿度为35%的条件下进行静电纺。静电纺纺丝电压为27 kV，纺丝速度为1 mL/h，纺丝距离为20 cm，纺丝时间为8 h，滚筒转速为60 r/min，针头动程为12 cm，得到的纳米纤维膜厚度为17.5 μm。

1.3 测试表征

采用日本Hitachi公司的TM3030、德国Bruker-D-8 X射线、Novo control concept 40中科仪器和自制的薄膜表面静电带电量测试仪，对样品进行测试。

2 结果与讨论

2.1 SiO2/PVDF纳米纤维膜表面形貌

图1为不同SiO2掺杂量下的PVDF纳米纤维膜表面形貌，可以看出，在2%掺杂质量分数下，纤维粗细均匀且团聚现象不明显，此时的纤维膜质轻、透气性良好，适合与柔性织物相结合。

图1 不同SiO2掺杂量下得到的PVDF纳米纤维膜的表面形貌

2.2 SiO2掺杂对PVDF纳米纤维介电特性的影响

图2 为掺入不同质量分数SiO2的PVDF纳米纤维膜的介电系数和介电损耗角与频率间的关系。从图2（a）中可以看出，掺杂SiO2会使纳米纤维膜的介电常数整体增加，在同一频率时，随着SiO2掺杂量的增加，介电系数呈现先显著增加后小幅回落的趋势。从图2（b）中发现，介电损耗角正切值也呈先减小后增大的趋势，同介电常数影响规律相似，证实在低电压交变电场下，介电常数对介电损耗的影响仅次于频率。

图2 不同SiO2掺杂量下纳米纤维膜的介电常数和损耗角正切

2.3 极化对PVDF纳米纤维膜的表面静电荷作用

图3 为在不同电场强度下极化不同时间后，纳米纤维膜表面带有稳定的静电荷。由于在测试过程中，静电荷是在试样内部自由产生的，积累静电荷的大小同薄膜材质、介电常数、极化程度有关。可以看出，极化电压越大，极化时间越长，试样表面带电量越大。

图3 20 mm×20 mm的PVDF纳米纤维膜表面静电特性

3 结语

通过掺杂纳米SiO2，以静电纺丝工艺制备PVDF纳米纤维膜，对试样表面形貌、晶相结构和介电驻极特性进行研究，得出如下结论。

（1）掺杂2%纳米SiO2时纺出的纤维粗细均匀，且不容易团聚，能够形成稳定的纺丝。

（2）纳米SiO2的加入降低了PVDF原有的β相，因此，对结构压电特性有消除作用。

（3）纳米SiO2的掺杂提高了PVDF的介电和驻极特性，纳米纤维膜的介电常数和损耗角正切可以达到5.4和0.6，表面静电荷量超过1.25 μC/cm2，在气体过滤除尘领域有望得到更好的应用。