PLLA/ZnO复合纳米纤维压电性能的研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

自1880年居里兄弟[1]发现了石英晶体存在压电效应,尤其是1969年日本的Kawai[2]发现柔性的PVDF具备压电性能后, 压电材料在传感器、换能器和能量采集等领域的应用层出不穷。压电材料目前主要包括以锆钛酸铅压电陶瓷[3](PZT,d33 = ~ 304pC/N)和钛酸钡[4](BaTiO3,d33 = ~100 pC/N)为代表的高压电系数的无机压电材料,以及以聚偏二氟乙烯[5](PVDF,d33 = ~ -33 pC/N)为代表的低压电系数的有机压电材料。目前被广泛应用的上述材料能够满足在能量收集、智能穿戴领域的大多数需求,但无机材料的高强度、低韧性、毒性和PVDF材料的低使用温度、难降解性等缺陷,极大地限制了压电材料的进一步发展[6]

聚左旋乳酸[7](PLLA)是一种具有生物相容性、无毒性、可吸收和可生物降解的压电聚合物材料,其原材料广泛、经济和环保,可以通过乳酸单体进行开环聚合来合成,而单体可以通过细菌发酵从糖和淀粉中提取,因此对PLLA的相关研究具有重要的实际意义。据报道[8],PLLA的压电常数约为10 pC/N,明显低于常用的压电材料。但与人体骨骼的介电常数[9](7~12 pC/N)相当,因此PLLA是一种很好的生物材料。

由于PLLA较差的压电性能,因此目前国内对PLLA的研究主要集中于作为组织工程材料,较少研究其压电性能。近年来国外有研究人员发现[10],当在PLLA中掺杂具有生物相容性、压敏性能且易制备的ZnO纳米颗粒时,材料的压电性能得到了明显的提高。此外,基于在几千至几万伏的高压静电场中,利用导电流体产生高速喷射的原理来制备电纺纤维的静电纺丝技术越来越成熟,能够制备直径介于数十纳米至数微米之间的纤维,与传统方法(如粒子致孔法、相分离法等)制备的多孔材料不同,由静电纺丝技术制备出的纤维材料具备更好的性能,这为PLLA材料的制备指引了新的方向。

Barroca等[11]分别利用溶液浇铸法和静电纺丝法制备得到了PLLA/ZnO薄膜,经表征发现利用静电纺丝法制备的纳米纤维薄膜不仅纤维直径小、比表面积大、孔隙率高和具有相互连通的三维网状结构,而且材料的压电性能更胜一筹。Yan[12],Deng[13],Tandon[14]等人各自的研究也表明ZnO纳米颗粒在不同的质量比下对PLLA压电性能的影响是不同的,并分别在能量收集、传感器以及生物支架材料领域得到了应用。此外,Paria等[15]的研究也表明ZnO纳米颗粒的粒径对压电材料的压电性能也有一定的影响。

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