CN105153450A - 一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性复合压电材料的制备领域,具体是一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,于氧化锌量子点的分散液中注入聚偏氟乙烯溶液,然后加入八乙烯基八硅倍半氧烷并超声混合,制得半透明均匀溶液;后通过溶液流延法及真空干燥获得聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜。本发明所述的聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其复合薄膜的结晶度可达55%,且该制备方法工艺先进、操作简便,参数准确翔实,无污染,是十分理想的制备柔性压电材料的方法。
Description
技术领域
本发明涉及柔性复合压电材料的制备领域,具体是一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法。
背景技术
当在某些材料上施加机械应力时,材料的表面会有电荷出现,且电荷的多少与应力是成比例的,这种材料就称为压电材料。作为一种柔性压电材料,聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜具有柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽、能抗化学和油性腐蚀等优良特性,且可加工成大面积和复杂的形状来使用,为压电材料的应用开辟了新的领域。
PVDF以熔融状态结晶可得到α相的晶体,但是由于其分子中总偶极矩为零,所以无极性,因此α相的晶体不表现压电性,而分子链为TTTT全反式构象的β相,偶极平行排列,自发极化大,具有很强的压电效应,因此,需要将其转变为β相的才能使用。为提高PVDF的β相的含量,最为有效的是拉伸方法,但在拉伸过程中,常会引入晶格缺陷,同时对于薄膜的强电场极化也较难实现。因此,找到一种有效的方法来提高其β相成为了近年来研究PVDF压电材料的一大热点。
虽然目前传感器技术发展迅速,各类研究成果不断涌现,但是柔性传感器器件还存在很多亟待解决的问题:1)PVDF压电薄膜质量还不能满足商业化要求;2)薄膜压电性较小;3)PVDF压电相的制备工艺还不成熟。
发明内容
本发明为了提高聚偏氟乙烯的β相使其能够成为理想的柔性压电材料,提供了一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,于氧化锌量子点的分散液中注入聚偏氟乙烯溶液,然后加入八乙烯基八硅倍半氧烷并超声混合,制得半透明均匀溶液;后通过溶液流延法及真空干燥获得聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜。
本发明所述复合薄膜的制备方法,以氧化锌量子点为填充相,在复合过程中添加八乙烯基八硅倍半氧烷,使得氧化锌量子点与聚合物基体聚偏氟乙烯形成稳定均一的复合相;加入氧化锌量子点有助于提高聚偏氟乙烯的结晶度,并且有助于薄膜中聚偏氟乙烯的α结晶相向β结晶相的转变,为提高聚偏氟乙烯压电相的制备另辟蹊径。
为了提高复合薄膜的结晶度,优化的,本发明所述氧化锌量子点与聚偏氟乙烯的质量比为1:5~20;八乙烯基八硅倍半氧烷为氧化锌量子点和聚偏氟乙烯总质量的0.5~1.5%。
另外,为了使氧化锌量子点在复合薄膜中分布均匀,复合薄膜的形貌平整、无明显缺陷,且减小团聚现象的发生,本发明提供了一种所述氧化锌量子点的分散液的制备方法,该方法的步骤为:氢氧化钾的乙醇溶液注入乙酸锌的乙醇溶液中,室温下搅拌30min,后加入2倍体积的正己烷,室温下静置1h,得到白色胶状沉淀;白色胶状沉淀中加入无水乙醇超声处理10min并在3000r/min条件下离心30min,得到白色凝胶,白色凝胶中加入无水乙醇,并重复上述超声处理及离心步骤;然后加入丙酮再次超声处理10min,得到乳白色透明分散液,即氧化锌量子点的分散液;所述乙酸锌与氢氧化钾的摩尔比为1:1~3。
采用丙酮对氧化锌量子点分散,可以有效地避免与聚偏氟乙烯溶液混合时产生絮状沉淀。上述氧化锌量子点的分散液的制备方法中,氢氧化钾与乙酸锌实现在乙醇体系中的温和反应,该反应的反应原理为:
Zn2++OH-→[Zn(OH)]+(1)
2n[Zn(OH)]+→(ZnO)n+nZn2++nH2O(2)
(ZnO)n+2k[Zn(OH)]+→(ZnO)n+k+kZn2++kH2O(3)
式中:Zn2+:锌离子
OH-:氢氧根
(ZnO)n代表ZnO晶核,(ZnO)n+k代表由ZnO晶核生长而来的ZnO量子点。当Zn2+和OH-相遇时可以生成式(1)中的[Zn(OH)]+。反应式(2)和(3)分别代表ZnO量子点的形核和生长。只有当[Zn(OH)]+浓度达到一定值时才可触发式(2),式(2)一旦被触发就会与式(3)同时进行。
进一步,所述氧化锌量子点的分散液在注入聚偏氟乙烯溶液前,进行了氧化锌量子点的稳定修饰,该稳定修饰的步骤为:于所述乳白色透明分散液中加入正丙胺,该正丙胺为乳白色透明分散液体积的0.5~5%。正丙胺的加入能够有效的提高氧化锌量子点的稳定性。
另外,当采用本发明所述氧化锌量子点的分散液的制备时,优化的所述聚偏氟乙烯溶液的溶剂采用的是二甲基亚砜。二甲基亚砜作为溶剂能够提高聚偏氟乙烯溶液体系对碱性条件的稳定性。
本发明所述的聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其复合薄膜的结晶度可达55%,且该制备方法工艺先进、操作简便,参数准确翔实,无污染,是十分理想的制备柔性压电材料的方法。
附图说明
图1为本发明所述聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的红外光谱图,图中所示:在1404cm-1处有较强的吸收峰,为聚偏氟乙烯分子链中亚甲基变形摇摆振动吸收峰;1167cm-1左右对应的是聚偏氟乙烯分子链中亚甲基的伸缩振动,874cm-1对应的是聚偏氟乙烯分子链中C-C骨架振动吸收峰;1261cm-1、1071cm-1和840cm-1处均为聚偏氟乙烯的β相的振动吸收峰;796cm-1处对应的是聚偏氟乙烯的α相的振动吸收峰。
图2为采用本发明所述氧化锌量子点分散液的制备方法制备获得的氧化锌量子点的透射电镜图,图中所示:氧化锌量子点的尺寸较为均一,团聚现象不明显,平均粒径约为4nm。
图3为本发明所述复合薄膜表面形貌图,图中所示:薄膜形貌较为平整,无明显缺陷,氧化锌量子点呈白色球状颗粒,分布较为均匀,在复合过程中氧化锌量子点存在些许团聚现象,成宝塔状堆叠。
图4为复合薄膜脆断面形貌图,图中所示:聚偏氟乙烯成网络状包裹氧化锌量子点。
图5为复合薄膜的X射线衍射强度图谱,曲线1~4分别代表复合薄膜中氧化锌量子点与聚偏氟乙烯的质量比为0:100、5:100、15:100、20:100,从图5中4条曲线的峰位峰值可以看出,随着氧化锌量子点含量的增加,聚偏氟乙烯存在从α相到β相的结晶相转变,并且在其与聚偏氟乙烯的质量比为15:100时,该现象最为明显。
具体实施方式
本发明中对氧化锌量子点及复合薄膜的各项性能分析所采用的仪器为:用傅立叶变换红外光谱仪进行复合薄膜的成分分析;用冷场发射扫描电镜进行复合薄膜的形貌分析;用高分辨率透射电子显微镜进行氧化锌量子点的尺寸和形貌分析;用广角X射线衍射仪进行复合薄膜中聚偏氟乙烯的结晶度及结晶类型分析。
实施例1
(1)精选化学物质材料
(2)醇解法制备氧化锌量子点
制备是在烧杯中进行的,将烧杯置于磁力搅拌器上,在烧杯中放入搅拌子;
①乙酸锌前驱体溶液的制备
称取二水合乙酸锌0.14g(0.0006mol);
量取无水乙醇20ml;
加入烧杯中,在室温下用搅拌器搅拌30min,使其充分溶解,成无色透明溶液;
②氢氧化钾溶液的制备
称取氢氧化钾0.07g(0.00125mol,1:2);
量取无水乙醇20ml;
加入烧杯中,在室温下用搅拌器搅拌10min,使其充分溶解,成无色透明溶液;
③混合反应
将配置好的氢氧化钠溶液迅速注入乙酸锌的前驱体溶液中,在室温下用搅拌器搅拌30min,实现在乙醇体系中温和反应;
④凝胶
量取正己烷80ml;
注入上述反应体系,常温下静置1h,得白色胶状沉淀;
⑤离心,洗涤,分散
量取无水乙醇10ml;注入盛有白色胶状沉淀的烧杯中,于超声清洗器中超声处理10min,得乳白色透明分散液。将溶液导入两支5ml离心管,在3000r/min条件下离心30min,得白色凝胶。向凝胶中注入10ml无水乙醇超声处理10min,并在相同条件下离心30min,然后向白色凝胶中加入15ml丙酮超声处理10min,得乳白色透明分散液。
(3)氧化锌量子点的稳定修饰
量取正丙胺0.0075ml(15×0.05%=0.0075);
注入上述乳白色分散液中,将混合体系超声处理5min,常温下密封保存。
(4)配制聚偏氟乙烯溶液
称取聚偏氟乙烯1.000g(0.05:1=1:20);
量取二甲基亚砜5ml;
加入烧杯中,用洁净玻璃棒搅拌1min至糊状,接着室温下超声混合15min得透明粘稠状澄清溶液。
(5)制备混合溶液
将上述氧化锌量子点的丙酮分散液注入聚偏氟乙烯溶液中;
称取八乙烯基八硅倍半氧烷0.01g(1.05×1%=0.01);
加入上述混合体系,并将烧杯置于超声清洗仪中超声混合30min,得半透明均匀溶液。
(6)制备聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜
①真空除气泡
将上述混合溶液置于真空干燥箱中,在室温下0.08MPa真空度中静置30min以除去溶液中的气泡。
②溶液流延法制备复合薄膜
向自制玻璃流延皿中加入丙酮20ml进行清洗,洗涤后晾干;
将上述混合溶液小心倒入洁净流延皿中,放入水浴锅,在60℃恒温下加热120min除去多余溶剂,得平铺在流延皿底面的一层白色蜡状固体。
③薄膜的干燥和退火处理
将制备的载有白色蜡状固体的流延皿置于真空干燥箱中,进行干燥和退火处理,真空度0.08MPa,干燥温度120℃±2℃,干燥时间2h;
干燥后迅速将流延皿取出,在空气中自然冷却至常温,得终产物:聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜。
(7)检测、化验、分析、表征
对制备的氧化锌量子点/聚偏氟乙烯复合薄膜的形貌、色泽、成分、结晶性能进行检测、化验、分析、表征。
(8)薄膜储存
对制备的复合薄膜,储存于棕色透明的玻璃容器中,要密闭避光储存,置于干燥、洁净环境,要防潮、防晒、防氧化、防酸碱盐侵蚀,储存温度为25℃±2℃,相对湿度≤10%。
实施例2
(1)精选化学物质材料
对制备所需要的化学物质材料要进行精选,并进行质量纯度、精度控制:
(2)醇解法制备氧化锌量子点
制备是在烧杯中进行的,将烧杯置于磁力搅拌器上,在烧杯中放入搅拌子;
①乙酸锌前驱体溶液的制备
称取二水合乙酸锌0.14g(0.0006mol);
量取无水乙醇20ml;
加入烧杯中,在室温下用搅拌器搅拌30min,使其充分溶解,成无色透明溶液;
②氢氧化钾溶液的制备
称取氢氧化钾0.034g(0.0006mol,1:1);
量取无水乙醇20ml;
加入烧杯中,在室温下用搅拌器搅拌10min,使其充分溶解,成无色透明溶液;
③混合反应
将配置好的氢氧化钠溶液迅速注入乙酸锌的前驱体溶液中,在室温下用搅拌器搅拌30min,实现在乙醇体系中温和反应;
④凝胶
量取正己烷80ml;
注入上述反应体系,常温下静置1h,得白色胶状沉淀;
⑤离心,洗涤,分散
量取无水乙醇10ml;注入盛有白色胶状沉淀的烧杯中,于超声清洗器中超声处理10min,得乳白色透明分散液。将溶液导入两支5ml离心管,在3000r/min条件下离心30min,得白色凝胶。向凝胶中注入10ml无水乙醇超声处理10min,并在相同条件下离心30min,然后向白色凝胶中加入15ml丙酮超声处理10min,得乳白色透明分散液。
(3)氧化锌量子点的稳定修饰
量取正丙胺0.3ml(15×2%=0.3);
注入上述乳白色分散液中,将混合体系超声处理5min,常温下密封保存。
(4)配制聚偏氟乙烯溶液
称取聚偏氟乙烯0.25g(0.05:0.25=1:5);
量取二甲基亚砜5ml;
加入烧杯中,用洁净玻璃棒搅拌1min至糊状,接着室温下超声混合15min得透明粘稠状澄清溶液。
(5)制备混合溶液
将上述氧化锌量子点的丙酮分散液注入聚偏氟乙烯溶液中;
称取八乙烯基八硅倍半氧烷0.0015g(0.5%);
加入上述混合体系,并将烧杯置于超声清洗仪中超声混合30min,得半透明均匀溶液。
(6)制备聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜
①真空除气泡
将上述混合溶液置于真空干燥箱中,在室温下0.08MPa真空度中静置30min以除去溶液中的气泡。
②溶液流延法制备复合薄膜
向自制玻璃流延皿中加入丙酮20ml进行清洗,洗涤后晾干;
将上述混合溶液小心倒入洁净流延皿中,放入水浴锅,在60℃恒温下加热120min除去多余溶剂,得平铺在流延皿底面的一层白色蜡状固体。
③薄膜的干燥和退火处理
将制备的载有白色蜡状固体的流延皿置于真空干燥箱中,进行干燥和退火处理,真空度0.08MPa,干燥温度90℃±2℃,干燥时间3h;
干燥后迅速将流延皿取出,在空气中自然冷却至常温,得终产物:聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜。
(7)检测、化验、分析、表征
对制备的氧化锌量子点/聚偏氟乙烯复合薄膜的形貌、色泽、成分、结晶性能进行检测、化验、分析、表征。
(8)薄膜储存
对制备的复合薄膜,储存于棕色透明的玻璃容器中,要密闭避光储存,置于干燥、洁净环境,要防潮、防晒、防氧化、防酸碱盐侵蚀,储存温度为25℃±2℃,相对湿度≤10%。
实施例3
(1)精选化学物质材料
(2)醇解法制备氧化锌量子点
制备是在烧杯中进行的,将烧杯置于磁力搅拌器上,在烧杯中放入搅拌子;
①乙酸锌前驱体溶液的制备
称取二水合乙酸锌0.14g(0.0006mol);
量取无水乙醇20ml;
加入烧杯中,在室温下用搅拌器搅拌30min,使其充分溶解,成无色透明溶液;
②氢氧化钾溶液的制备
称取氢氧化钾0.1g(0.0018mol);
量取无水乙醇20ml;
加入烧杯中,在室温下用搅拌器搅拌10min,使其充分溶解,成无色透明溶液;
③混合反应
将配置好的氢氧化钠溶液迅速注入乙酸锌的前驱体溶液中,在室温下用搅拌器搅拌30min,实现在乙醇体系中温和反应;
④凝胶
量取正己烷80ml;
注入上述反应体系,常温下静置1h,得白色胶状沉淀;
⑤离心,洗涤,分散
量取无水乙醇10ml;注入盛有白色胶状沉淀的烧杯中,于超声清洗器中超声处理10min,得乳白色透明分散液。将溶液导入两支5ml离心管,在3000r/min条件下离心30min,得白色凝胶。向凝胶中注入10ml无水乙醇超声处理10min,并在相同条件下离心30min,然后向白色凝胶中加入15ml丙酮超声处理10min,得乳白色透明分散液。
(3)氧化锌量子点的稳定修饰
量取正丙胺0.75ml(15×5%=0.75);
注入上述乳白色分散液中,将混合体系超声处理5min,常温下密封保存。
(4)配制聚偏氟乙烯溶液
称取聚偏氟乙烯0.33g(0.05:0.33=15:100);
量取二甲基亚砜5ml;
加入烧杯中,用洁净玻璃棒搅拌1min至糊状,接着室温下超声混合15min得透明粘稠状澄清溶液。
(5)制备混合溶液
将上述氧化锌量子点的丙酮分散液注入聚偏氟乙烯溶液中;
称取八乙烯基八硅倍半氧烷0.0057g(1.5%);
加入上述混合体系,并将烧杯置于超声清洗仪中超声混合30min,得半透明均匀溶液。
(6)制备聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜
①真空除气泡
将上述混合溶液置于真空干燥箱中,在室温下0.08MPa真空度中静置30min以除去溶液中的气泡。
②溶液流延法制备复合薄膜
向自制玻璃流延皿中加入丙酮20ml进行清洗,洗涤后晾干;
将上述混合溶液小心倒入洁净流延皿中,放入水浴锅,在60℃恒温下加热120min除去多余溶剂,得平铺在流延皿底面的一层白色蜡状固体。
③薄膜的干燥和退火处理
将制备的载有白色蜡状固体的流延皿置于真空干燥箱中,进行干燥和退火处理,真空度0.08MPa,干燥温度150℃±2℃,干燥时间1h;
干燥后迅速将流延皿取出,在空气中自然冷却至常温,得终产物:聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜。
(7)检测、化验、分析、表征
对制备的氧化锌量子点/聚偏氟乙烯复合薄膜的形貌、色泽、成分、结晶性能进行检测、化验、分析、表征。
(8)薄膜储存
对制备的复合薄膜,储存于棕色透明的玻璃容器中,要密闭避光储存,置于干燥、洁净环境,要防潮、防晒、防氧化、防酸碱盐侵蚀,储存温度为25℃±2℃,相对湿度≤10%。
Claims (6)
1.一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其特征在于,于氧化锌量子点的分散液中注入聚偏氟乙烯溶液,然后加入八乙烯基八硅倍半氧烷并超声混合,制得半透明均匀溶液;后通过溶液流延法及真空干燥获得聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述氧化锌量子点与聚偏氟乙烯的质量比为1:5~20。
3.根据权利要求2所述的一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述八乙烯基八硅倍半氧烷为氧化锌量子点和聚偏氟乙烯总质量的0.5~1.5%。
4.根据权利3所述的一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述氧化锌量子点的分散液的制备方法为:
氢氧化钾的乙醇溶液注入乙酸锌的乙醇溶液中,室温下搅拌30min,后加入2倍体积的正己烷,室温下静置1h,得到白色胶状沉淀;白色胶状沉淀中加入无水乙醇超声处理10min并在3000r/min条件下离心30min,得到白色凝胶,白色凝胶中加入无水乙醇,并重复上述超声处理及离心步骤;然后加入丙酮再次超声处理10min,得到乳白色透明分散液,即氧化锌量子点的分散液;所述乙酸锌与氢氧化钾的摩尔比为1:1~3。
5.根据权利要求4所述的一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述氧化锌量子点的分散液在注入聚偏氟乙烯溶液前,进行了氧化锌量子点的稳定修饰,该稳定修饰的步骤为:于所述乳白色透明分散液中加入正丙胺,该正丙胺为乳白色透明分散液体积的0.5~5%。
6.根据权利要求3或4所述的一种聚偏氟乙烯/氧化锌量子点复合薄膜的制备方法,其特征在于,所述聚偏氟乙烯溶液的溶剂采用的是二甲基亚砜。
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