氟化聚合物薄膜驻极体表面电位的双极性现象

樊占奎,陈钢进,徐月寒,闫博文

(杭州电子科技大学理学院,浙江 杭州 310018)

驻极体是一种能够产生永久静电场的电介质材料,在能量采集[1-2]、静电感应式发电机[3-4]、传感器[5-6]、空气过滤[7-8]等领域应用广泛。Wang等[9]采用多层复合氟碳驻极体薄膜制备出一种按压式驻极体发电机,为驻极体在可穿戴电子产品中的应用开辟了一种新思路。Lo等[10]开发出一种滑动式驻极体发电机,利用驻极体所产生的静电场进行感应式发电。Zhao等[11]研发了一种旋转式驻极体发电机,运用驻极体薄膜与金属电极之间在运动过程中的电容变化,将高速旋转能转化为电能。Bi等[12]研制了一种转动式驻极体发电机,将风能转化为电能。上述驻极体发电机只是利用了驻极体的单极性效应。对驻极体的深入研究发现,当对聚合物薄膜的一个面进行注极时,除了注极面对外显示与注极电源极性相同的电场外,其另一面显示出与注极电源极性相反的电场,此现象称为驻极体的双极性现象[13]。Chen等[14]利用驻极体的双极性效应开发了一种具有双气隙结构的按压式驻极体能量采集器,有效提高了能量采集器的输出功率。目前,驻极体的双极性效应的应用还不够广泛。本文使用电晕注极和夹层注极方法对非极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、极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薄膜进行注极,研究它们的双极性现象,并分析了驻极体双极性现象的产生机制。

1.1 材料及样品制备

实验研究中使用的非极性氟化聚合物FEP和PTFE由美国杜邦(DuPont)公司生产,其中FEP薄膜的厚度为25 μm,PTFE薄膜的厚度为55 μm;极性氟化聚合物THV500和THV815来自美国3M公司,形状为透明颗粒状,它们的薄膜采用高温压膜工艺制备。将THV聚合物颗粒放置在压膜机的上下钢板之间,在它们的熔点附近(THV500为180 ℃,THV815为240 ℃),以5 MPa的机械压力持续压制5 min,冷却到室温后取出。获得的THV500和THV815薄膜厚度为80 μm。将所有实验样品裁剪成4 cm×4 cm大小,放入盛有酒精的烧杯中,使用超声波清洗机清洗5 min,再在室温下晾干,放入恒温干燥箱中备用。

1.2 注极方法

本文使用的注极方法包括负电晕注极和夹层注极,如图1所示。负电晕注极时,针尖与实验样品的距离为5 cm,注极电压为 -10 kV,注极时间为3 min;夹层注极时,注极温度为室温30 ℃,注极电压为 -3 kV,注极时间为10 min。电压源型号为波尔高压电源有限公司生产的73 030 N。

图2 表面电位测量示意图

1.3 表面电位稳定性及其分布的测量

使用Trek公司生产的347型非接触式电场补偿静电计测量聚合物薄膜驻极体的表面电位。测量过程中,测量探头与驻极体保持3 mm的空气气隙。表面电位稳定性测量时,测量探头每次都处于薄膜的中间位置。表面电位分布测量时,测量探头的位置固定不变,驻极体位于移动平台上,静电测试仪每隔1 mm记录1次驻极体的表面电位值,并输入至电脑。

2.1 电晕注极实验结果

2.1.1 非极性聚合物薄膜驻极体的表面电位分布和稳定性

对非极性FEP和PTFE薄膜进行电晕注极后,前6 h内,每隔2 h测量1次薄膜驻极体中心区域的表面电位值。待薄膜驻极体表面电位稳定后,改为每隔120 h测量1次。测量期间,薄膜驻极体保存于恒温干燥箱中。实验结果如图3所示。

图3 电晕注极后非极性FEP和PTFE薄膜驻极体的表面电位随时间的变化

从图3可以看出,电晕注极完成后,FEP和PTFE薄膜驻极体的注极面和非注极面都具有较高的表面电位,但极性相反,绝对值几乎相同,具有明显的双极性现象。在注极完成后的24 h内,注极面和非注极面的表面电位同步发生快速衰减,表现出相同的衰减规律。150 h后,FEP薄膜驻极体的正、负极性表面电位分别稳定在360±10 V和-340±10 V,PTFE薄膜驻极体的正、负极性表面电位分别稳定在630±10 V和-620±10 V。FEP和PTFE薄膜驻极体在电晕注极400 h后,仍呈现出非常好的稳定性。

使用自动可移动表面电位测试平台测量了FEP薄膜驻极体在负电晕注极2 h后的电位分布,结果如图4所示。

图4 电晕注极后FEP薄膜驻极体的表面电位分布

从图4可以看出,注极后,FEP薄膜驻极体的表面电位呈现出明显的双极性现象。在电晕注极2 h后,FEP薄膜驻极体的注极面具有负极性的表面电位,非注极面具有正极性的表面电位;注极面和非注极面的表面电位整体分布对称。

2.1.2 极性聚合物薄膜驻极体的表面电位分布和稳定性

电晕注极后,极性THV500和THV815薄膜驻极体的表面电位随时间的变化如图5所示。

图5 电晕注极后极性THV500和THV815薄膜驻极体的表面电位随时间变化

从图5中可以看出,电晕注极后,THV500和THV815薄膜驻极体注极面的表面电位都呈现负极性,非注极面呈正极性,具有明显的双极性特征。2种薄膜驻极体的初始表面电位都比较高,但衰减很快,THV815薄膜驻极体的表面电位稍高于THV500薄膜驻极体。与非极性聚合物薄膜驻极体相同,正反面双极性表面电位同步发生衰减。

使用自动可移动表面电位测试平台,测量的THV500薄膜驻极体在负电晕注极2 h后的电位分布结果如图6所示。

图6 电晕注极后,THV500薄膜驻极体的表面电位分布

从图6可以看出,在电晕注极后,THV500薄膜的注极面表现出负极性表面电位,非注极面表现出正极性表面电位,显示出明显的双极性现象。对比图4可以看出,THV500薄膜驻极体注极面和非注极面的表面电位分布与FEP薄膜驻极体相同,也具有很好的对称性。

2.2 夹层注极实验结果

2.2.1 非极性聚合物薄膜驻极体的表面电位分布和稳定性

对非极性聚合物FEP和PTFE薄膜进行夹层注极后,每隔24 h测量1次其中心区域的表面电位值。实验结果如图7所示。

图7 夹层注极后,非极性FEP和PTFE薄膜驻极体的表面电位随时间变化情况

从图7可以看出,夹层注极完成后,FEP和PTFE薄膜驻极体的注极面和非注极面的表面电位极性相反。与图3相比,FEP和PTFE薄膜驻极体的注极面和非注极面的表面电位值都较低,这是由夹层注极方法的特性所致。与电晕注极结果不同,此时的电位衰减呈现一缓慢的过程,稳定后的表面电位值也较低。

使用自动可移动表面电位测试平台,测量的FEP薄膜驻极体在夹层注极2 h后的电位分布结果如图8所示。

图8 夹层注极后,FEP薄膜驻极体的表面电位分布

从图8可以看出,与负电极相连的注极面呈现负极性的表面电位,与正电极相连的非注极面呈现正极性表面电位,表面电位的分布几乎完全对称,呈现明显的双极性特征。与电晕注极结果不同,此时的表面电位值较低。

2.2.2 极性聚合物薄膜驻极体的表面电位分布和稳定性

夹层注极后,极性THV500和THV815薄膜驻极体的表面电位随时间的变化情况如图9所示。

图9 夹层注极后极性THV500和THV815薄膜驻极体的表面电位随时间的变化

从图9可以看出,夹层注极完成后,THV500和THV815薄膜与负电极相连的一面表现出负极性表面电位值,与正电极相连的一面表现出正极性表面电位值,呈现对称分布的双极性现象。在注极48 h后,THV500薄膜驻极体的表面电位几乎衰减为0,而THV815薄膜驻极体保持在约200 V左右,正反两面双极性表面电位的衰减同步发生。

使用自动可移动表面电位测试平台,测量了THV500薄膜驻极体在夹层注极2 h后的电位分布图,结果如图10所示。

图10 夹层注极后THV500薄膜驻极体的表面电位分布

从图10可以看出,THV500薄膜驻极体与负电极相连的一面呈现负极性的表面电位,与正电极相连的一面呈现正极性的表面电位,两面电位分布均匀,几乎完全对称,呈现明显的双极性特征。与电晕注极后的结果相比,此时的表面电位值较小。

2.3 乙醇擦洗对注极后样品双极性现象的影响

为了进一步考察氟化聚合物薄膜驻极体表面电位的双极性现象,采用乙醇擦洗的方法,研究了注极后的FEP薄膜驻极体和THV500薄膜驻极体的表面电位衰减规律。结果如图11所示。

图11 乙醇擦洗对电晕注极后的FEP和THV500薄膜驻极体表面电位的影响

从图11可以看出,无论乙醇擦洗注极面还是非注极面,两面的表面电位下降都很大。擦洗面表面电位几乎衰减到0,非擦洗面能维持在200 V左右。所以,电晕注极后,氟化聚合物薄膜驻极体表面电位的产生不只是源于空间电荷的注入,也与电场作用下的极化有关。

乙醇擦洗对夹层注极后的FEP和THV500薄膜驻极体表面电位的影响如图12所示。

图12 乙醇擦洗对夹层注极后的FEP和THV500薄膜驻极体表面电位的影响

从图12可以看出,对于FEP薄膜驻极体,无论是乙醇擦洗注极面还是非注极面,其两面的表面电位的下降幅度都很大;对于THV500薄膜驻极体,乙醇擦洗虽然使其表面电位有一定程度的下降,但下降幅度大大低于FEP薄膜驻极体,保持在50%左右,仍呈现双极性现象。所以,夹层注极后,极性材料的双极性现象与其内部的偶极电荷有关。

2.4 实验结果分析

对FEP和PTFE这样的非极性聚合物而言,在电场的作用下,聚合物体内主要发生的是电子位移极化。因此,极化过程中,驻极体双极性现象的产生是源于聚合物体内的电子位移极化。而对THV500和THV815这样的极性聚合物而言,在电场的作用下,聚合物体内主要发生的是偶极取向极化。因此,极化过程中,驻极体双极性现象的产生是源于聚合物体内的偶极取向极化。极化导致的正、负两极的电场大小相同,只是极性不同。实验结果很好地反映了双极性现象的这一特征。

由于注入电荷主要存在材料的表面,极化后不同聚合物表面电位及其稳定性是由聚合物的电导所致。FEP和PTFE的体电阻率高达1018Ωm数量级[15],除了过剩电荷外,沉积在其表面的陷阱电荷很难因为电导而衰减。因此,它们的稳定表面电位较高,且不容易衰减。而THV815和THV500的体电阻率只有1013Ωm数量级[16],比非极性材料FEP和PTFE小5个数量级,因此,它们的电荷存储稳定性也大大低于FEP和PTFE,随着时间的延长,注入的电荷将逐渐衰减,表面电位值较低。

本文运用电晕注极方法和夹层注极方法研究了非极性氟化聚合物FEP薄膜驻极体和PTFE薄膜驻极体、极性氟化聚合物THV500薄膜驻极体和THV815薄膜驻极体的表面电位双极性现象。研究表明,无论是极性还是非极性氟化聚合物,双极性现象具有2个共同特征,一是正反面表面电位对称分布,但极性相反;二是一面发生衰减,另一面同步衰减。本研究只对聚合物薄膜驻极体进行了表面电位分析,将薄膜驻极体的双极性现象应用到实际生活中的研究还在进行中。