导电聚合物-硫化锌_聚偏二氟乙烯柔性压电薄膜的制备及在人体信号收集领域的研究.pdf

摘要

开发拉伸性能好、稳定性高、检测数值准确和电输出性能优异的传感器是实现人体

信息检测的重要途径。柔性复合压电薄膜因其具有较大的拉伸性、价格低廉以及对人体

无害等优势，成为未来可穿戴设备最有前途的压电材料之一。聚偏二氟乙烯（PVDF）压

电聚合物作为构筑柔性压电薄膜的优选材料之一，具有舒适度、拉伸、弯曲以及质量等

方面均优于陶瓷材料的优势。然而，PVDF材料压电输出性能低，需要通过改性来提高

内部产生压电效应的晶相含量以满足其在柔性可穿戴领域的广泛应用。基于此，本论文

借助导电聚合物聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTH）和聚苯胺（PANI）分别与硫化锌（ZnS）

原位聚合，制备核壳结构导电聚合物-ZnS，经共混静电纺丝，构筑高性能PVDF基复合

纳米纤维膜，增强PVDF压电聚合物电输出性能。通过结构表征及压电性能表征，深入

挖掘核壳结构与PVDF内部β相含量的关系，并探索其在可穿戴传感领域中的应用潜

力。本论文主要包括以下三方面研究工作：

（1）基于原位聚合法，以核壳结构PPy-ZnS为导电微粒，通过PPy与ZnS表面静

电相互作用，制备核壳结构PPy-ZnS导电微粒，将其共混到PVDF溶液中再进行高压静

电纺丝制膜。由于PPy-ZnS促使PVDF中CH/CF正负电荷中心发生分离，内部偶极子

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界面极性增强，复合材料β相含量增加，同时PPy可以在PVDF内部形成传导通道，提

升PVDF薄膜电输出性能。通过调控温度、溶液配比和掺杂浓度等变量，提升PVDF压

电薄膜输出性能。相比于纯PVDF（37.5%β相含量、130%拉伸率、20V开路电压以及

0.4μA短路电流），优化后PPy-ZnS/PVDF柔性压电薄膜材料具有83%β相含量、190%

拉伸率、40V开路电压、1.5μA短路电流以及优异的长期循环稳定性。将其作为柔性可

穿戴手指信号监测装置时，可收集记录人体手指不同弯曲程度信号。

（2）为进一步提升PVDF压电薄膜材料的电输出性能，拓宽其在可穿戴传感领域

的应用范围，通过调节核壳结构导电掺杂的类型增加PVDF压电薄膜材料导电能力，也

是优化电输出性能和拉伸性能的重要策略。本征态PTH经质子酸掺杂后分子内醌环消

失，电子云重新分布，呈现出高导电性。通过调节酸性环境，合成核壳结构PTH-ZnS，

将其与PVDF溶液共混，借助高压静电纺丝技术制备具有更佳电输出性能的PTH-

ZnS/PVDF柔性压电薄膜。优化后PTH-ZnS/PVDF柔性压电薄膜的性能得到提升，β相

含量85%、拉伸率为200%、开路电压为60V、短路电流为1.6μA以及长时间循环稳定

性。此外，构建柔性可穿戴人体运动信息识别装置能够识别人体运动状态。

（3）基于文献调研，PANI导电机理类似于石墨，内部具有更多能够自由移动的π

电子，使其具有优异的导电能力，并且合成方法和产量优于PTH。进一步将核壳结构上

PTH替换为PANI，制备电子活化能低，导电能力更好的PANI-ZnS微粒，将其掺入PVDF

溶液，再通过高压静电纺丝制备PVDF压电薄膜，电输出性能得到提升。该导电掺杂的

PANI-ZnS/PVDFβ相含量为87.5%、开路电压为60V、短路电流为2.1μA、拉伸性能为

210%以及良好的循环稳定性。基于此构建的柔性可穿戴呼吸频率监测装置可以很好识

别人体呼吸信息。

综上，本课题基于核壳结构导电聚合物-ZnS掺杂策略，通过导电聚合物-ZnS与

PVDF中CH/CF之间的表面电荷相互作用，使PVDF中偶极子界面极性增强，促进其

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界面偶极子极化，进而提升PVDF电活性相含量，构筑具有高拉伸性和高电输出性能以

及优异稳定性的PVDF柔性压电复合薄膜，并系统研究温度、溶剂和掺杂含量等对PVDF

输出性能的影响。同时，构建用于可穿戴传感人体信息收集柔性装置，为PVDF柔性压

电复合材料在可穿戴领域的应用研究做出有价值的探索。

关键词：核壳结构，导电聚合物，硫化锌，拉伸性能，柔性可穿戴传感