《自然·通讯》：可印刷Ti3C2Tx MXene-氟聚合物复合材料中的界面压电极化锁定学术资讯

Ti3C2Tx/PVDF-TrFE复合薄膜的MD模拟

MD模拟表明Ti3C2Tx和PVDF-TrFE链之间存在极强的静电相互作用，这种相互作用限制了聚合物链的移动，在纳米片上形成了紧密压缩的结构（如图1）。通过与石墨烯对比，从石墨烯上分离一条聚合物链需要2.78 pN的力，而从MXene上分离聚合物链则需要 4.17 pN的力。在静电相互作用的驱动下，Ti3C2Tx和PVDF-TrFE共聚物链之间存在强的结合作用，这种结合导致氟聚合物薄膜随后的自组装，其定向方式紧密锁定垂直于Ti3C2Tx基面PVDF-TrFE的极化，为在块状氟聚合物材料中自组装驱动的极化提供了指导。

图1 Ti3C2Tx/PVDF-TrFE复合材料的MD模拟

Ti3C2Tx/PVDF-TrFE复合材料中PVDF-TrFE的相依赖

PVDF-TrFE中有三种有利构象存在，分别是对称的非电活性α相、半极性和中等电活性的γ相以及极性和高电活性的β相。如图2所示，纯PVDF-TrFE的值为2.4，较低MXene纳米片填充(0.02 wt%)时，的值为2.2，当填料含量为0.5wt%，增加到了2.5。这主要是由于低含量的Ti3C2Tx具有较低的剪切取向，不利于共聚物链的取向排列。

图2 Ti3C2Tx/PVDF-TrFE复合材料的构象变化

Ti3C2Tx/PVDF-TrFE复合薄膜的能量收集

利用压电力显微镜（PEM）和整体机电测试测试复合膜的宏观能量收集。首先使用PEM对Ti3C2Tx进行了测试根据结果显示（图3a），Ti3C2Tx没有表现出明显的面外压电效应。对复合膜进行了PEM测试，结果显示复合膜的压电电荷系数（d33）为-52.0 pC/N，优于未极化含氟聚合物的-28.6 pC/N；复合膜的电压系数（g33）为402 mV/mN，相比未极化的PVDF-TrFE增强了18%。

图3 Ti3C2Tx/PVDF-TrFE复合薄膜的能量收集

总结：作者以2D的Ti3C2Tx为模板，探究了没有面外压电效应的纳米填料对含氟聚合物极化的影响及其相关机制。研究结果表明Ti3C2Tx纳米片与PVDF-TrFE之间的静电相互作用导致了含氟聚合物的极化演变，通过3D打印或者溶剂浇铸，可以将这种诱导的局部净极化转变为宏观极化，省略了费力耗能的电极化过程，为压电复合材料的商业化提供了新思路。

来源：高分子科学前沿

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