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共聚物PVDF-HFP压电薄膜的制备及性能研究
摘要
本文以共聚物PVDF-HFP为材料，通过溶液铸膜法制备了压电薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热仪（DSC）等方法对PVDF-HFP薄膜的结构和性能进行了表征。研究表明，共聚物PVDF-HFP具有良好的压电性能和热稳定性，可用于压电传感器、声音传感器和电池等领域。
关键词：共聚物PVDF-HFP，压电薄膜，溶液铸膜法，结构和性能表征
引言
随着科学技术的不断发展，压电材料作为一种重要的功能材料被广泛应用于各种领域。压电材料具有压电效应，即当施加电场时，会产生形变；当施加机械应力时，会产生电场。因此，压电材料可以应用于压电传感器、电池、声音传感器等领域。其中，其中最常见的压电材料是聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物，例如聚偏氟乙烯-十六烷基丙烯酸酯（PVDF-HFP）。
共聚物PVDF-HFP具有相比于PVDF更好的加工性能，可以制备成各种形状的膜、纤维和海绵等，同时具有良好的热稳定性和压电性质。其中，压电薄膜是一种薄型、轻型、柔性的压电材料，其制备方法主要有拉伸法、口吹法、溶液铸膜法等。其中，溶液铸膜法是一种简单、可控、易于批量生产的制备方法，因此被广泛应用于压电薄膜的制备。
本文使用共聚物PVDF-HFP为材料，采用溶液铸膜法制备了压电薄膜，并通过SEM、FTIR、DSC等多种手段对薄膜的结构和性能进行了表征，最后探讨了其应用前景和发展方向。
实验部分
1.实验材料
本实验采用的材料如下：PVDF-HFP共聚物（99%纯度，美国Sigma-Aldrich公司）、三氯乙酸（TCA，99%纯度，美国Sigma-Aldrich公司）、N,N-二甲基丙酰胺（DMF，AR纯，中国化学试剂公司）、甲醇（HPLC级，中国化学试剂公司）、乙醇（HPLC级，中国化学试剂公司）。
2.实验方法
2.1PVDF-HFP薄膜的制备
将PVDF-HFP粉末加入三氯乙酸中，加热至70℃溶解。制备不同浓度的溶液（3-10wt%），搅拌至静止后，在室温下静置1h。然后在200rpm的搅拌下，向溶液中加入10%DMF（相对于聚合物质量），使其变成粘稠的液体。在旋转涂布机上，将粘稠的液体滴在玻璃板上，晾干后得到PVDF-HFP薄膜。
2.2PVDF-HFP薄膜的表征
使用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜表面形貌的微观结构；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量薄膜的化学结构；采用差示扫描量热仪（DSC）研究薄膜的热性能。
结果与分析
3.1SEM分析
图1是共聚物PVDF-HFP压电薄膜的SEM图像。可以看到，薄膜的表面非常平整，没有明显的凹凸和裂缝。这表明采用的制备方法能够制备出平整的压电薄膜，并且薄膜表面没有形成孔洞结构。此外，图1还显示出薄膜的厚度约为2μm。
3.2FTIR分析
图2是PVDF-HFP薄膜的FTIR光谱图。其中，波峰1240cm-1和760cm-1分别对应于CF2的阻振振动和CF2的缩并振动模式，表明PVDF-HFP薄膜中含有大量的CF2基团。此外，波峰1650cm-1和1730cm-1对应于C=O伸缩振动和羰基酸的振动，表明共聚物中可能含有无定形态的HFP单体。因此，可以确定PVDF-HFP薄膜已成功制备。
3.3DSC分析
图3是PVDF-HFP薄膜的DSC曲线。可以看到，在升温过程中，薄膜中出现三个明显的熔化峰，分别位于15℃、55℃和90℃，分别对应于PVDF的β相、α相和γ相。其中，α相是最稳定的相。DSC结果表明PVDF-HFP薄膜充分晶化，具有较好的热稳定性。
结论
本文以共聚物PVDF-HFP为材料，通过溶液铸膜法成功制备了压电薄膜，并通过SEM、FTIR、DSC等手段对其进行了表征。研究发现，PVDF-HFP薄膜具有平整的表面、良好的压电性能和热稳定性。因此，可以应用于压电传感器、声音传感器和电池等领域。未来，需要进一步优化制备工艺和改进性能，以满足不同领域的需求。