CN106832707A - 铜金属有机框架/聚乙烯醇纳米复合膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜金属有机框架/聚乙烯醇纳米复合膜的制备方法。(1)以Cu3(NO)2和均苯三甲酸的三乙基胺盐为原料,在去离子水和乙醇的混合液中均匀搅拌,得Cu3(BTC)2纳米粒子。(2)在去离子水中加入聚乙烯醇,加热搅拌得聚乙烯醇溶液,将Cu3(BTC)2纳米粒子加到聚乙烯醇溶液中,搅拌,超声,得Cu3(BTC)2/聚乙烯醇混合溶液。(3)将混合溶液均匀倒在玻璃板上,真空干燥得到铜金属有机框架/聚乙烯醇纳米复合膜材料。本发明制备的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇纳米复合膜具有良好的机械强度,在包装材料、组织工程材料、过滤膜材料等领域具有潜在性应用。

Description

铜金属有机框架/聚乙烯醇纳米复合膜的制备方法
技术领域
本发明涉及聚乙烯醇纳米复合膜材料的制备技术领域,特别涉及一种铜金属有机框架(Cu3(BTC)2)/聚乙烯醇纳米复合膜的制备方法。
背景技术
二十一世纪,随着高科技时代的到来,全球经济快速增长,信息、电子、生物、新材料和新能源等高新技术迅猛发展,人们对功能性材料的需求也迅速增长。因此,研究者们在复合材料领域作了大量的探索,希望能研究出种类更多、功能性更强的材料,纳米复合材料由于具有多样化的品种和性能,在涂料、食品、纺织、造纸、日用化工及石油开发等领域得到了广泛的应用,它的研究成为了领域中的最有发展潜力的学科之一。聚乙烯醇(PVA)是一种无毒、无腐蚀性且环境友好的亲水性高分子材料,能在水中溶胀或溶解从而形成分散液或溶液。PVA 的亲水性源于其结构中的羟基等亲水性官能团,这些官能团还可以进行再反应,生成具有新官能团的化合物;PVA 不同的聚合度和醇解度可以通过反应控制,因此,PVA 具有性能和品种的多样性,从而成为材料研究领域的一个热点。由于 PVA 分子是严格的线型结构,并且含有大量的-OH键,它们之间通过氢键发生交联后能够形成大分子网络结构,因此,PVA 材料具有一定的机械强度和稳定的化学性质;此外,PVA因有良好的成膜性、粘结性和生物亲和性等优点,而在黏合剂、膜材料、凝胶材料、纤维材料和生物医学材料等领域具有广泛的应用。随着材料科学的发展,单纯的 PVA 材料已不能满足使用要求,这就要求对已有的 PVA 进行改性,从而满足对材料的性能需求。近年来,利用无机材料、天然矿物和有机高分子等对 PVA 进行复合改性成为了研究热点。PVA 复合材料不仅在基础科学研究方面有重要的意义,在生产技术方面更是有潜在的应用价值。利用PVA 作为基质,通过与各种纳米粒子得到进行复合,得到不同的复合膜材料,可以研究开发具有强度高、热稳定性高且耐水性高的PVA基纳米复合材料。
发明内容
本发明的目的是通过Cu3(BTC)2纳米粒子的添加来改善聚乙烯醇复合膜的力学性能,并提供一种铜金属有机框架(Cu3(BTC)2)/聚乙烯醇纳米复合膜的制备方法。
本发明具体步骤如下:
(1)称取10g聚乙烯醇颗粒加入100mL去离子水中,加热到60℃,搅拌1小时得到质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液待用。
(2)将1.5mL浓度为0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液和1mL浓度为0.1mol/L的均苯三甲酸的三乙基胺盐溶液混合。
(3)将乙醇和去离子水按体积比为1:1混合。
(4)将步骤(2)所得溶液和50mL步骤(3)所得乙醇水溶液均匀混合,在室温、1000rpm转速下搅拌反应1~2小时,反应结束后将所得溶液离心,离心时间为10~15分钟,离心速度为1000~2000rpm,倒去原溶液,取下层固体,加入无水乙醇和去离子水交替离心清洗,最后将清洗完毕的固体在烘箱中真空干燥12小时得到Cu3(BTC)2纳米粒子。
(5)将0.05~0.2 g步骤(4)所得的Cu3(BTC)2纳米粒子与步骤(1)所得的质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液通过搅拌均匀混合,在超声频率为80HZ的条件下超声5分钟得到均一分散液;将均一分散液均匀倒在玻璃板上,60~70℃条件下真空干燥24小时得到铜金属有机框架(Cu3(BTC)2)/聚乙烯醇纳米复合膜。
所述化学试剂纯度均为化学纯以上纯度。
本发明制备的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇纳米复合膜具有良好的机械强度,在包装材料、组织工程材料、过滤膜材料等领域具有潜在性应用。
附图说明
图1为本发明对比实施例制备的聚乙烯醇薄膜与实施例1、2、3制备的Cu3(BTC)2纳米粒子质量百分比浓度分别为0.05%、0.1%、0.2%的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜XRD谱图对比图。
图2为本发明对比实施例制备的聚乙烯醇薄膜与实施例1、2、3制备的Cu3(BTC)2纳米粒子质量百分比浓度分别为0.05%、0.1%、0.2%的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜傅里叶红外谱图谱图对比图。
图3为本发明实施例1制备的Cu3(BTC)2纳米粒子SEM图。。
图4为本发明对比实施例制备的聚乙烯醇薄膜与实施例3制备的Cu3(BTC)2纳米粒子质量百分比浓度为0.2%的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜应力-应变曲线图对比图。
具体实施方式
下述化学试剂纯度均为化学纯以上纯度。
对比实施例:纯聚乙烯醇薄膜的制备
称取10g聚乙烯醇颗粒加入100mL去离子水中,加热到60℃,搅拌1小时得到质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液,将溶液均匀倒在玻璃板上,在60℃条件下真空干燥24小时得到聚乙烯醇薄膜材料。
实施例1:质量百分比浓度为0.05%的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜的制备
(1)称取10g聚乙烯醇颗粒加入100mL去离子水中,加热到60℃,搅拌1小时得到质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液待用。
(2)将1.5mL浓度为0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液和1mL浓度为0.1mol/L的均苯三甲酸的三乙基胺盐溶液混合。
(3)将乙醇和去离子水按体积比为1:1混合。
(4)将步骤(2)所得溶液和50mL步骤(3)所得乙醇水溶液均匀混合,在室温、1000rpm转速下搅拌反应1小时,反应结束后将所得溶液离心,离心时间为10分钟,离心速度为1000rpm,倒去原溶液,取下层固体,加入无水乙醇和去离子水交替离心清洗,最后将清洗完毕的固体在烘箱中真空干燥12小时得到Cu3(BTC)2纳米粒子。
(5)将0.05g步骤(4)所得的Cu3(BTC)2纳米粒子与步骤(1)所得的质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液通过搅拌均匀混合,在超声频率为80HZ的条件下超声5分钟得到均一分散液。将均一分散液均匀倒在玻璃板上,60℃条件下真空干燥24小时得到质量百分比浓度为0.05%Cu3(BTC)2/聚乙烯醇纳米复合膜材料。
实施例2: 质量百分比浓度为0.1%的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜的制备
(1)称取10g聚乙烯醇颗粒加入100mL去离子水中,加热到60℃,搅拌1小时得到质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液待用。
(2)将1.5mL浓度为0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液和1mL浓度为0.1mol/L的均苯三甲酸的三乙基胺盐溶液混合。
(3)将乙醇和去离子水按体积比为1:1混合。
(4)将步骤(2)所得溶液和50mL步骤(3)所得乙醇水溶液均匀混合,在室温、1000rpm转速下搅拌反应1小时,反应结束后将所得溶液离心,离心时间为12分钟,离心速度为1500rpm,倒去原溶液,取下层固体,加入无水乙醇和去离子水交替离心清洗,最后将清洗完毕的固体在烘箱中真空干燥12小时得到Cu3(BTC)2纳米粒子。
(5)将0.1g步骤(4)所得的Cu3(BTC)2纳米粒子与步骤(1)所得的质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液通过搅拌均匀混合,在超声频率为80HZ的条件下超声5分钟得到均一分散液。将均一分散液均匀倒在玻璃板上,60℃条件下真空干燥24小时得到质量百分比浓度为0.1%Cu3(BTC)2/聚乙烯醇纳米复合膜材料。
实施例3: 质量百分比浓度为0.2%的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜的制备
(1)称取10g聚乙烯醇颗粒加入100mL去离子水中,加热到60℃,搅拌1小时得到质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液待用。
(2)将1.5mL浓度为0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液和1mL浓度为0.1mol/L的均苯三甲酸的三乙基胺盐溶液混合。
(3)将乙醇和去离子水按体积比为1:1混合。
(4)将步骤(2)所得溶液和50mL步骤(3)所得乙醇水溶液均匀混合,在室温、1000rpm转速下搅拌反应2小时,反应结束后将所得溶液离心,离心时间为15分钟,离心速度为2000rpm,倒去原溶液,取下层固体,加入无水乙醇和去离子水交替离心清洗,最后将清洗完毕的固体在烘箱中真空干燥12小时得到Cu3(BTC)2纳米粒子。
(5)将0.2g步骤(4)所得的Cu3(BTC)2纳米粒子与步骤(1)所得的质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液通过搅拌均匀混合,在超声频率为80HZ的条件下超声5分钟得到均一分散液。将均一分散液均匀倒在玻璃板上,70℃条件下真空干燥24小时得到质量百分比浓度为0.2%Cu3(BTC)2/聚乙烯醇纳米复合膜材料。
将本发明中的对比实施例和实施例1、2、3制备得到的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料的晶体结构进行XRD表征,并进行对比,结果如图1所示。从图中可以看出实施例1、2、3制备得到的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料的X射线衍射图与对比实施例制备得到的聚乙烯醇薄膜材料的X射线衍射图谱相似,说明Cu3(BTC)2纳米粒子能均匀地填充在聚乙烯醇基体中,成功制备了Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料。
将本发明中的对比实施例和实施例1、2、3制备得到的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料的晶体结构进行傅里叶红外表征,并进行对比,结果如图2所示。从图中可以看出与对比实施例制备得到的聚乙烯醇薄膜材料相比,实施例1、2、3制备得到的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料的傅里叶红外图中没有新的吸收峰产生,说明Cu3(BTC)2纳米粒子与聚乙烯醇基体结合的过程中没有新的化学键的产生。此外,Cu3(BTC)2纳米粒子中Cu2+离子以配位键形式与聚乙烯醇分子链中羟基上的氧原子发生较强的电子相互作用,减弱了聚乙烯醇链内与链间的氢键作用,导致羟基的振动峰值逐渐向高波数方向移动,即发生蓝移现象,这可归因于Cu3(BTC)2纳米粒子与聚乙烯醇基体之间的强烈络合作用。
将本发明实施例1制备的Cu3(BTC)2纳米粒子进行SEM表征,结果如图3所示,从图中可以看出本发明制备的Cu3(BTC)2纳米粒子尺寸、形状较为均匀,大小在100~200nm左右,这有利于实现Cu3(BTC)2纳米粒子在聚乙烯醇基质中的良好分散。
将本发明中的对比实施例和实施例3制备得到的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料进行力学性能测试,并进行对比,结果如图4所示。从图中可以看与对比实施例制备得到的聚乙烯醇薄膜材料相比,实施例3制备得到的Cu3(BTC)2/聚乙烯醇薄膜材料的拉伸强度更高,说明Cu3(BTC)2纳米粒子的填充提高了聚乙烯醇材料的机械强度。

Claims (1)

1.一种铜金属有机框架/聚乙烯醇纳米复合膜的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)称取10g聚乙烯醇颗粒加入100mL去离子水中,加热到60℃,搅拌1小时得到质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液待用;
(2)将1.5mL浓度为0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液和1mL浓度为0.1mol/L的均苯三甲酸的三乙基胺盐溶液混合;
(3)将乙醇和去离子水按体积比为1:1混合;
(4)将步骤(2)所得溶液和50mL步骤(3)所得乙醇水溶液均匀混合,在室温、1000rpm转速下搅拌反应1~2小时,反应结束后将所得溶液离心,离心时间为10~15分钟,离心速度为1000~2000rpm,倒去原溶液,取下层固体,加入无水乙醇和去离子水交替离心清洗,最后将清洗完毕的固体在烘箱中真空干燥12小时得到Cu3(BTC)2纳米粒子;
(5)将0.05~0.2 g步骤(4)所得的Cu3(BTC)2纳米粒子与步骤(1)所得的质量百分比浓度为10%的聚乙烯醇溶液通过搅拌均匀混合,在超声频率为80HZ的条件下超声5分钟得到均一分散液;将均一分散液均匀倒在玻璃板上,60~70℃条件下真空干燥24小时得到铜金属有机框架/聚乙烯醇纳米复合膜材料;
所述铜金属框架即为Cu3(BTC)2
所述化学试剂纯度均为化学纯以上纯度。
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