压电聚合物具有压电性合理、机械柔性高、对电压变化敏感、阻抗低等优点，在气体、液体和生物传感器中存在广泛的应用。

  近日，天津工业大学纺织科学与工程学院副教授王闻宇、教授林童的课题组，发现了聚丙烯腈（PAN）可以在强电场极化下具有较强的压电效应，打破了目前压电聚合物仅以聚偏二氟乙烯（PVDF）作为研究热点的现状。相关研究已在线发表于国际著名能源期刊《纳米能源》，并被选为该期刊的封面论文。

  课题组针对PAN具有较强压电性能的机理进行了系统的分析。与 PVDF利用晶区控制压电性能的机理不同，提出了通过设计PAN的分子构象来增强力电转换能力。

  林童告诉《中国科学报》，PAN属于非结晶聚合物，分子链上具有强极性基团，通过改变分子链构象，即可提高PAN的压电效应。这种新的压电机理的发现，拓宽了压电聚合物的种类，为继续开发新的更高性能的压电聚合材料提供了一个新的思路，也为今后压电聚合物的设计、机理的研究及应用提供了新的视角。

  PVDF是一种典型的压电聚合物，具有较强的压电拉伸和极化性能。林童解释称，PVDF的压电性来自于它的相晶体结构，当处于晶型时，其单位偶极矩高达2.1德拜。而PAN是一种无定形聚合物，它的分子链中包含大量氰基（-CN），这使其有着非常强的极性。

  林童表示，PAN有两个典型的构象：平面锯齿形构象和螺旋形构象。PAN在平面锯齿形构象时的单位偶极矩约为3.5德拜，大于相PVDF。另外，与PVDF相比，PAN具有更小的介电损耗、更高的耐热性和更低的价格。

  为了更好地确保数据的准确性，在测试之前，研究人员对PAN和PVDF两种材料采取使用完全一样的制备条件，并进行了静电消除、样品的封装、抽真空、厚度、压力作用力频率、作用力的大小等外界干扰因素，并进行多个样品反复测试，保证样品的数据准确性，其结果都证明了PAN具有比PVDF更加优异的压电性能。

  研究人员发现，利用静电纺丝制备的PAN纳米纤维膜，其压电性优于PVDF纳米纤维膜。对其施以压力，一小块电纺PAN非织造纤维膜可以产生2.0 V和1.1A的电力输出。当纤维膜内纤维取向增加时，会产生更大的电输出（6.0 V和5.1A）。与相同尺寸和相同压力条件下的电纺PVDF纳米纤维膜相比，PAN纳米纤维膜具有更大的电输出。

  其中，有取向的PAN电纺膜的优势更突出。林童表示，取向后的PAN膜的压电输出值可达到近7V。在动能致电转换测试当中，PAN压电薄膜所制成的器件，在2Hz的压力作用2分钟，可以为一个商业LED灯供电3.5分钟，充足表现PAN具有超低的介电损耗及高压电输出能力。

  可以说，PAN无论从材料本身、压电机理，还是压电性能，均与以往业内所理解的压电聚合物材料所不同。

  “压电聚合物通常应具有带有压电效应的晶区的结晶性聚合物，比如前面提到的PVDF的相具有更加好的压电效应，因此，工艺流程中，怎么样提高相，是提高聚合物压电性能的主要工作。”林童说。

  他进一步指出，PAN具有压电聚合物密度低、柔性好、阻抗低、易与轻质负载相匹配的特性，但同样具有单一的高聚物压电常数低、各向异性和温度稳定性差等缺陷，还不能完全适应不一样环境、不同应用领域的需求。因此，利用新型PAN压电材料，开发高压电常数、高温度稳定性、低介电常数的PAN基压电材料是未来研究方向。

  “如PAN的共聚物，改变分子偶极矩，提高其压电性能；开发新型的PAN压电复合材料，突破聚合物的温度限制等，而对于新型PAN压电材料来讲，无论是机理还是应用效果都需要研究学者进一步快速跟进。”林童强调说。