氟化聚合物薄膜駐極體表面電位的雙極性現象

樊占奎,陳鋼進(jìn),徐月寒,閆博文

(杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院,浙江 杭州 310018)

駐極體是一種能夠產(chǎn)生永久靜電場(chǎng)的電介質(zhì)材料,在能量采集[1-2]、靜電感應式發(fā)電機[3-4]、傳感器[5-6]、空氣過(guò)濾[7-8]等領(lǐng)域應用廣泛。Wang等[9]采用多層復合氟碳駐極體薄膜制備出一種按壓式駐極體發(fā)電機,為駐極體在可穿戴電子產(chǎn)品中的應用開(kāi)辟了一種新思路。Lo等[10]開(kāi)發(fā)出一種滑動(dòng)式駐極體發(fā)電機,利用駐極體所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)進(jìn)行感應式發(fā)電。Zhao等[11]研發(fā)了一種旋轉式駐極體發(fā)電機,運用駐極體薄膜與金屬電極之間在運動(dòng)過(guò)程中的電容變化,將高速旋轉能轉化為電能。Bi等[12]研制了一種轉動(dòng)式駐極體發(fā)電機,將風(fēng)能轉化為電能。上述駐極體發(fā)電機只是利用了駐極體的單極性效應。對駐極體的深入研究發(fā)現,當對聚合物薄膜的一個(gè)面進(jìn)行注極時(shí),除了注極面對外顯示與注極電源極性相同的電場(chǎng)外,其另一面顯示出與注極電源極性相反的電場(chǎng),此現象稱(chēng)為駐極體的雙極性現象[13]。Chen等[14]利用駐極體的雙極性效應開(kāi)發(fā)了一種具有雙氣隙結構的按壓式駐極體能量采集器,有效提高了能量采集器的輸出功率。目前,駐極體的雙極性效應的應用還不夠廣泛。本文使用電暈注極和夾層注極方法對非極性氟化聚合物氟化乙丙烯共聚物(Fluorinated Ethylene Propylene Copolymer,FEP)、聚四氟乙烯(Poly Tetra Fluoroethylene,PTFE)薄膜、極性氟化聚合物四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯共聚物(Tetrafluoroethylene, Hexafluoropropylene and Vinylidene Fluoride Copolymer,THV)THV500及THV815薄膜進(jìn)行注極,研究它們的雙極性現象,并分析了駐極體雙極性現象的產(chǎn)生機制。

1.1 材料及樣品制備

實(shí)驗研究中使用的非極性氟化聚合物FEP和PTFE由美國杜邦(DuPont)公司生產(chǎn),其中FEP薄膜的厚度為25 μm,PTFE薄膜的厚度為55 μm;極性氟化聚合物THV500和THV815來(lái)自美國3M公司,形狀為透明顆粒狀,它們的薄膜采用高溫壓膜工藝制備。將THV聚合物顆粒放置在壓膜機的上下鋼板之間,在它們的熔點(diǎn)附近(THV500為180 ℃,THV815為240 ℃),以5 MPa的機械壓力持續壓制5 min,冷卻到室溫后取出。獲得的THV500和THV815薄膜厚度為80 μm。將所有實(shí)驗樣品裁剪成4 cm×4 cm大小,放入盛有酒精的燒杯中,使用超聲波清洗機清洗5 min,再在室溫下晾干,放入恒溫干燥箱中備用。

1.2 注極方法

本文使用的注極方法包括負電暈注極和夾層注極,如圖1所示。負電暈注極時(shí),針尖與實(shí)驗樣品的距離為5 cm,注極電壓為 -10 kV,注極時(shí)間為3 min;夾層注極時(shí),注極溫度為室溫30 ℃,注極電壓為 -3 kV,注極時(shí)間為10 min。電壓源型號為波爾高壓電源有限公司生產(chǎn)的73 030 N。

圖2 表面電位測量示意圖

1.3 表面電位穩定性及其分布的測量

使用Trek公司生產(chǎn)的347型非接觸式電場(chǎng)補償靜電計測量聚合物薄膜駐極體的表面電位。測量過(guò)程中,測量探頭與駐極體保持3 mm的空氣氣隙。表面電位穩定性測量時(shí),測量探頭每次都處于薄膜的中間位置。表面電位分布測量時(shí),測量探頭的位置固定不變,駐極體位于移動(dòng)平臺上,靜電測試儀每隔1 mm記錄1次駐極體的表面電位值,并輸入至電腦。

2.1 電暈注極實(shí)驗結果

2.1.1 非極性聚合物薄膜駐極體的表面電位分布和穩定性

對非極性FEP和PTFE薄膜進(jìn)行電暈注極后,前6 h內,每隔2 h測量1次薄膜駐極體中心區域的表面電位值。待薄膜駐極體表面電位穩定后,改為每隔120 h測量1次。測量期間,薄膜駐極體保存于恒溫干燥箱中。實(shí)驗結果如圖3所示。

圖3 電暈注極后非極性FEP和PTFE薄膜駐極體的表面電位隨時(shí)間的變化

從圖3可以看出,電暈注極完成后,FEP和PTFE薄膜駐極體的注極面和非注極面都具有較高的表面電位,但極性相反,絕對值幾乎相同,具有明顯的雙極性現象。在注極完成后的24 h內,注極面和非注極面的表面電位同步發(fā)生快速衰減,表現出相同的衰減規律。150 h后,FEP薄膜駐極體的正、負極性表面電位分別穩定在360±10 V和-340±10 V,PTFE薄膜駐極體的正、負極性表面電位分別穩定在630±10 V和-620±10 V。FEP和PTFE薄膜駐極體在電暈注極400 h后,仍呈現出非常好的穩定性。

使用自動(dòng)可移動(dòng)表面電位測試平臺測量了FEP薄膜駐極體在負電暈注極2 h后的電位分布,結果如圖4所示。

圖4 電暈注極后FEP薄膜駐極體的表面電位分布

從圖4可以看出,注極后,FEP薄膜駐極體的表面電位呈現出明顯的雙極性現象。在電暈注極2 h后,FEP薄膜駐極體的注極面具有負極性的表面電位,非注極面具有正極性的表面電位;注極面和非注極面的表面電位整體分布對稱(chēng)。

2.1.2 極性聚合物薄膜駐極體的表面電位分布和穩定性

電暈注極后,極性THV500和THV815薄膜駐極體的表面電位隨時(shí)間的變化如圖5所示。

圖5 電暈注極后極性THV500和THV815薄膜駐極體的表面電位隨時(shí)間變化

從圖5中可以看出,電暈注極后,THV500和THV815薄膜駐極體注極面的表面電位都呈現負極性,非注極面呈正極性,具有明顯的雙極性特征。2種薄膜駐極體的初始表面電位都比較高,但衰減很快,THV815薄膜駐極體的表面電位稍高于THV500薄膜駐極體。與非極性聚合物薄膜駐極體相同,正反面雙極性表面電位同步發(fā)生衰減。

使用自動(dòng)可移動(dòng)表面電位測試平臺,測量的THV500薄膜駐極體在負電暈注極2 h后的電位分布結果如圖6所示。

圖6 電暈注極后,THV500薄膜駐極體的表面電位分布

從圖6可以看出,在電暈注極后,THV500薄膜的注極面表現出負極性表面電位,非注極面表現出正極性表面電位,顯示出明顯的雙極性現象。對比圖4可以看出,THV500薄膜駐極體注極面和非注極面的表面電位分布與FEP薄膜駐極體相同,也具有很好的對稱(chēng)性。

2.2 夾層注極實(shí)驗結果

2.2.1 非極性聚合物薄膜駐極體的表面電位分布和穩定性

對非極性聚合物FEP和PTFE薄膜進(jìn)行夾層注極后,每隔24 h測量1次其中心區域的表面電位值。實(shí)驗結果如圖7所示。

圖7 夾層注極后,非極性FEP和PTFE薄膜駐極體的表面電位隨時(shí)間變化情況

從圖7可以看出,夾層注極完成后,FEP和PTFE薄膜駐極體的注極面和非注極面的表面電位極性相反。與圖3相比,FEP和PTFE薄膜駐極體的注極面和非注極面的表面電位值都較低,這是由夾層注極方法的特性所致。與電暈注極結果不同,此時(shí)的電位衰減呈現一緩慢的過(guò)程,穩定后的表面電位值也較低。

使用自動(dòng)可移動(dòng)表面電位測試平臺,測量的FEP薄膜駐極體在夾層注極2 h后的電位分布結果如圖8所示。

圖8 夾層注極后,FEP薄膜駐極體的表面電位分布

從圖8可以看出,與負電極相連的注極面呈現負極性的表面電位,與正電極相連的非注極面呈現正極性表面電位,表面電位的分布幾乎完全對稱(chēng),呈現明顯的雙極性特征。與電暈注極結果不同,此時(shí)的表面電位值較低。

2.2.2 極性聚合物薄膜駐極體的表面電位分布和穩定性

夾層注極后,極性THV500和THV815薄膜駐極體的表面電位隨時(shí)間的變化情況如圖9所示。

圖9 夾層注極后極性THV500和THV815薄膜駐極體的表面電位隨時(shí)間的變化

從圖9可以看出,夾層注極完成后,THV500和THV815薄膜與負電極相連的一面表現出負極性表面電位值,與正電極相連的一面表現出正極性表面電位值,呈現對稱(chēng)分布的雙極性現象。在注極48 h后,THV500薄膜駐極體的表面電位幾乎衰減為0,而THV815薄膜駐極體保持在約200 V左右,正反兩面雙極性表面電位的衰減同步發(fā)生。

使用自動(dòng)可移動(dòng)表面電位測試平臺,測量了THV500薄膜駐極體在夾層注極2 h后的電位分布圖,結果如圖10所示。

圖10 夾層注極后THV500薄膜駐極體的表面電位分布

從圖10可以看出,THV500薄膜駐極體與負電極相連的一面呈現負極性的表面電位,與正電極相連的一面呈現正極性的表面電位,兩面電位分布均勻,幾乎完全對稱(chēng),呈現明顯的雙極性特征。與電暈注極后的結果相比,此時(shí)的表面電位值較小。

2.3 乙醇擦洗對注極后樣品雙極性現象的影響

為了進(jìn)一步考察氟化聚合物薄膜駐極體表面電位的雙極性現象,采用乙醇擦洗的方法,研究了注極后的FEP薄膜駐極體和THV500薄膜駐極體的表面電位衰減規律。結果如圖11所示。

圖11 乙醇擦洗對電暈注極后的FEP和THV500薄膜駐極體表面電位的影響

從圖11可以看出,無(wú)論乙醇擦洗注極面還是非注極面,兩面的表面電位下降都很大。擦洗面表面電位幾乎衰減到0,非擦洗面能維持在200 V左右。所以,電暈注極后,氟化聚合物薄膜駐極體表面電位的產(chǎn)生不只是源于空間電荷的注入,也與電場(chǎng)作用下的極化有關(guān)。

乙醇擦洗對夾層注極后的FEP和THV500薄膜駐極體表面電位的影響如圖12所示。

圖12 乙醇擦洗對夾層注極后的FEP和THV500薄膜駐極體表面電位的影響

從圖12可以看出,對于FEP薄膜駐極體,無(wú)論是乙醇擦洗注極面還是非注極面,其兩面的表面電位的下降幅度都很大;對于THV500薄膜駐極體,乙醇擦洗雖然使其表面電位有一定程度的下降,但下降幅度大大低于FEP薄膜駐極體,保持在50%左右,仍呈現雙極性現象。所以,夾層注極后,極性材料的雙極性現象與其內部的偶極電荷有關(guān)。

2.4 實(shí)驗結果分析

對FEP和PTFE這樣的非極性聚合物而言,在電場(chǎng)的作用下,聚合物體內主要發(fā)生的是電子位移極化。因此,極化過(guò)程中,駐極體雙極性現象的產(chǎn)生是源于聚合物體內的電子位移極化。而對THV500和THV815這樣的極性聚合物而言,在電場(chǎng)的作用下,聚合物體內主要發(fā)生的是偶極取向極化。因此,極化過(guò)程中,駐極體雙極性現象的產(chǎn)生是源于聚合物體內的偶極取向極化。極化導致的正、負兩極的電場(chǎng)大小相同,只是極性不同。實(shí)驗結果很好地反映了雙極性現象的這一特征。

由于注入電荷主要存在材料的表面,極化后不同聚合物表面電位及其穩定性是由聚合物的電導所致。FEP和PTFE的體電阻率高達1018Ωm數量級[15],除了過(guò)剩電荷外,沉積在其表面的陷阱電荷很難因為電導而衰減。因此,它們的穩定表面電位較高,且不容易衰減。而THV815和THV500的體電阻率只有1013Ωm數量級[16],比非極性材料FEP和PTFE小5個(gè)數量級,因此,它們的電荷存儲穩定性也大大低于FEP和PTFE,隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng),注入的電荷將逐漸衰減,表面電位值較低。

本文運用電暈注極方法和夾層注極方法研究了非極性氟化聚合物FEP薄膜駐極體和PTFE薄膜駐極體、極性氟化聚合物THV500薄膜駐極體和THV815薄膜駐極體的表面電位雙極性現象。研究表明,無(wú)論是極性還是非極性氟化聚合物,雙極性現象具有2個(gè)共同特征,一是正反面表面電位對稱(chēng)分布,但極性相反;二是一面發(fā)生衰減,另一面同步衰減。本研究只對聚合物薄膜駐極體進(jìn)行了表面電位分析,將薄膜駐極體的雙極性現象應用到實(shí)際生活中的研究還在進(jìn)行中。