通过高压退火取向微晶增强聚偏氟乙烯的介电和铁电性能,Macromolecules

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通过高压退火取向微晶增强聚偏氟乙烯的介电和铁电性能
Macromolecules ( IF 5.1 ) Pub Date : 2022-03-09 , DOI: 10.1021/acs.macromol.1c02436
Jia-Yi Ren ₁ , Qing-Feng Ouyang ₁ , Guo-Qi Ma ₁ , Yue Li ₁ , Jun Lei ₁ , Hua-Dong Huang ₁ , Li-Chuan Jia ₂ , Hao Lin ₁ , Gan-Ji Zhong ₁ , Zhong-Ming Li ₁

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聚偏氟乙烯 (PVDF) 的电活性 β 相的结构操作在传感器和致动器应用中尤为重要。在此，提出了一种通过热处理结合压力场对预取向的 PVDF 薄膜进行退火来增强 PVDF 薄膜的介电和铁电性能的有效方法。在退火处理过程中，适当的压力归因于有效的偶极子旋转，并导致非极性α相（TGTG'）完全相变为极性β相（TTTT）。此外，适当的压力和温度场协同促进β-微晶中主链沿拉伸方向的更完美排列。从而成功获得了具有超高取向（赫尔曼取向因子>0.97）的纯β相。此外，随着温度的升高，分子链的流动性增强，有助于完善具有高结晶度的β-微晶。在高温退火过程中，非晶区取向链的弛豫明显受到高压的抑制，导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm 随着温度的升高，分子链的流动性增强，有助于完善具有高结晶度的β-微晶。在高温退火过程中，非晶区取向链的弛豫明显受到高压的抑制，导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm 随着温度的升高，分子链的流动性增强，有助于完善具有高结晶度的β-微晶。在高温退火过程中，非晶区取向链的弛豫明显受到高压的抑制，导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm 在高温退火过程中，非晶区取向链的弛豫明显受到高压的抑制，导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm 在高温退火过程中，非晶区取向链的弛豫明显受到高压的抑制，导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm 导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm 导致能够在电场下有效旋转的偶极子密度增加。获得的独特结构赋予 PVDF 薄膜明显增强的介电和铁电性能。由于最佳链取向，在 160°C 退火的预取向薄膜中观察到室温下的最高介电常数。此外，在 180 °C 退火的具有更完美和紧密堆积的 β 微晶的薄膜显示出明显的铁电转换和最大剩余极化（5.8 μC/cm² )。这项工作的结果表明，压力和温度场的合理组合可以有效地实现 PVDF 取向薄膜的最佳介电和铁电性能。

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Enhanced Dielectric and Ferroelectric Properties of Poly(vinylidene fluoride) through Annealing Oriented Crystallites under High Pressure

The structural manipulation of the electroactive β phase of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is particularly important in sensor and actuator applications. Herein, an efficient way to enhance dielectric and ferroelectric properties of PVDF films by annealing preoriented PVDF films through thermal treatment combined with the pressure field is proposed. During annealing processing, an appropriate pressure is attributed to the efficient dipole rotation and results in complete phase transformation of the nonpolar α phase (TGTG′) into the polar β phase (TTTT). Moreover, the appropriate pressure and temperature fields synergistically promote a more perfect alignment of the main chain in β-crystallites along the stretching direction. Thus, the pure β phase with ultrahigh orientation (Herman’s orientation factor >0.97) is successfully obtained. Moreover, the enhanced mobility of molecular chains with the increase of temperature contributes to the perfection of β-crystallites with high crystallinity. The relaxation of oriented chains in the amorphous region at high temperature during the annealing process is obviously inhibited by high pressure, leading to increased density of dipoles capable of efficient rotation under an electric field. The unique structure obtained imparts a distinctly enhanced dielectric and ferroelectric properties to the PVDF films. The highest dielectric constant at room temperature is observed in preoriented films annealed at 160 °C due to the optimal chain orientation. Moreover, the film with more perfect and tightly packed β-crystallites annealed at 180 °C shows clearly ferroelectric switching and the maximum remnant polarization (5.8 μC/cm²). The outcomes of this work indicate that a rational combination of pressure and temperature fields could effectively achieve optimal dielectric and ferroelectric properties of PVDF oriented films.

更新日期：2022-03-09

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