CN117626533A - Nh2-mil-125填充介电薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及柔性电子器件的领域,具体涉及一种NH2‑MIL‑125填充介电薄膜的制备方法。该方法包括如下的步骤:a.称取NH2‑MIL‑125,分散于DMF和丙酮的混合溶剂中,搅拌,待NH2‑MIL‑125均匀分散,得到混合液A;b.称取PVDF,加入混合液A中,加热搅拌,将PVDF溶解,得到溶液B;c.利用溶液B进行静电纺丝操作,得到薄膜,随后将其烘干并进行热压处理,即得到基于PVDF的NH2‑MIL‑125填充介电薄膜。本申请利用NH2‑MIL‑125掺杂PVDF薄膜,以此提升薄膜的介电常数,进而实现提升介电薄膜储能密度的目的。
Description
技术领域
本申请涉及柔性电子器件的领域,更具体地说,它涉及一种NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法。
背景技术
随着电子、通信和能源领域的不断发展, 其器件不断朝着高性能化、小型化和低延迟化演变, 这对材料的介电性能提出了越来越高的要求。聚合物介电材料有着介电损耗低、击穿强度高、加工性优异和成本低等显著优势, 在储能电容器和5G通信等领域有广阔应用前景。目前市场上最常见的聚合物介电薄膜主要是商业化双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜,该薄膜的制备方法为:将高分子聚丙烯的熔体通过狭长机头制成片材或厚膜,然后在专用的拉伸机内,在一定的温度和设定的速度下,同时或分步在垂直的两个方向(纵向、横向)上进行拉伸,使高聚物的分子链可结晶面在平行于薄膜平面的方向上进行取向进而有序排列;然后在拉紧状态下进行热定型使取向的大分子结构固定下来,并经过适当的冷却或热处理或特殊加工(如电晕、涂覆等)制成。
针对上述市场上广泛使用的BOPP薄膜,发明人发现其介电常数不是很高,这是聚丙烯的固有特性,从而限制了其能量密度,因此该薄膜的储能密度相对较低(约2 J/cm3),使用该薄膜材料制造的电子元器件体积相对较大,难以满足越来越高的行业发展需求。并且BOPP的工作温度较低(需工作在80 ℃以下),常常需要外部冷却设备以保证电容器的正常工作,这些设备往往进一步增加了系统的体积及运行成本。相较而言,聚偏二氟乙烯(PVDF)产品熔点一般在150 ℃~185 ℃之间,分解温度达到300 ℃以上,在空气中不燃烧,能在-40 ℃~120 ℃之间长期使用且基本保持产品性能稳定,较BOPP的工作温度范围大大提升。因此,对PVDF进行改性处理,则有望研发出高介电常数和高储能密度、宽工作温度区间的高性能介电薄膜。
目前,研究人员在提升介电薄膜储能性能方面做了很多研究。张孝彬等人公开了一种氮掺杂石墨烯/PVDF复合介电薄膜及其制备方法,该发明采用溶液浇铸法制备了复合介电薄膜,在石墨烯晶格中引入氮原子,得到氮掺杂石墨烯,由于氮掺杂石墨烯具有高强度、高导电率、高比表面积的性质,用其对聚合物材料进行改性处理后可以得到一种具有高导电率、高强度、高热稳定性,并具有一定阻燃性的氮掺杂石墨烯/PVDF复合介电薄膜(CN103500654A)。王振洋等人公开了一种温度响应型电磁屏蔽材料,该复合材料包括位于顶层和底层的PVDF/Fe3O4纤维薄膜以及位于中间层的相变复合材料,一方面,复合材料对电磁波具有优秀的屏蔽作用,在防止外界电磁波对工作电子设备干扰的同时也阻止了电子设备高效、高频工作产生的电磁波对外界的电磁污染;另一方面基于相变复合材料中有机相变材料的特性,复合材料能够将热能进行存储与释放,从而实现复合材料对电子设备温度的控制,将其稳定在一定温度范围内(CN115352143B)。然而,由于纯PVDF的击穿场强并不高,使其储能密度受到了很大的限制,从而大大影响其推广应用,因此,有必要对PVDF基体进行复合改性处理。金属有机框架材料是有机配体与金属离子或团簇通过配位键自组装形成的有机-无机杂化纳米粒子。本发明选择新型金属有机框架纳米材料NH2-MIL-125作为填料,通过改善填料粒子与PVDF基体之间的相容性和空间电荷分布,实现对其介电常数和储能密度有效提升的目的。
发明内容
为了进一步提升相关技术中现有商业介电薄膜的介电常数和储能密度,本申请提供一种NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法。
本申请提供的NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法采用如下的技术方案:
NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法,包括如下的步骤:
a.称取NH2-MIL-125,分散于DMF和丙酮的混合溶剂中,按每10 ml DMF和丙酮的混合溶剂称取0.04~0.05 g NH2-MIL-125的比例分散;以600~800 r/min的转速搅拌10~14 h,将NH2-MIL-125均匀分散,得到混合液A;
b.称取混合液A重量13~16 wt%的PVDF,加入混合液A中,控制搅拌器温度为60~80℃,转速为1000~1400 r/min,搅拌1.5~2.5 h,将PVDF溶于溶液A中,得到溶液B;
c.利用溶液B进行静电纺丝,得到薄膜,将薄膜烘干5~7 h,随后对其进行热压处理,控制压力为40~45 MPa,时间为15~18 min,得到所述的基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜。
在一个具体的可实施方案中,步骤a中,所述DMF和丙酮的混合溶剂为DMF与丙酮按体积比3:2复配形成的混合溶剂。
在一个具体的可实施方案中,步骤b中,PVDF的加入量为混合液A重量的15 wt%。
在一个具体的可实施方案中,步骤c中所述静电纺丝的具体步骤为:利用针管抽取溶液B,控制静电电压为20~30 kV,针头距收集板的距离为12~20 cm,纺丝速率为1 ml/h。
在一个具体的可实施方案中,所述NH2-MIL-125的制备方法包括如下步骤:
S1、按体积比1:8~10对应量取甲醇和DMF,充分混合3~5 min,得到溶剂A;
S2、称取2-氨基对苯二甲酸,加入溶剂A中,添加量为每15 ml的溶剂A加入0.2 g;充分搅拌至2-氨基对苯二甲酸溶解,得到溶液C;
S3、按体积比0.8~1:60000对应量取钛酸异丙酯和溶液C,将两者混合后充分搅拌;
S4、控制烘箱温度为140~160 ℃,将S3所得溶液加热22~26 h;随后冷却至室温,对反应液进行离心操作,控制离心机转速6000~8000 r/min,时间为4~6 min,弃去上清液即得到沉淀;
S5、利用体积比1:9的DMF和甲醇混合溶剂洗涤S4的沉淀,离心并弃去上方洗涤液,重复操作3次,得到干净的沉淀物;
S6、将S5所得沉淀在55~65 ℃条件下烘干至恒重,即得到所述的NH2-MIL-125。
本申请具有以下有益效果:本申请利用NH2-MIL-125掺杂PVDF薄膜,以此提升薄膜的介电常数,进而实现提升介电薄膜的储能密度的目的。本申请通过NH2-MIL-125掺杂以及静电纺丝法制备薄膜,将改性后制备的PVDF复合薄膜介电常数提升至26,而纯PVDF薄膜介电常数约为10,较纯PVDF提升了160%,较市场上常用的BOPP薄膜提升了近400%。储能密度提高到5.7 J/cm3,纯PVDF薄膜储能密度约为2.4 J/cm3,较纯PVDF薄膜提升了137%,较市场上常用的BOPP薄膜提升了近185%,具有显著的进步和良好的市场前景。
附图说明
图1为纯PVDF经过静电纺丝处理所得薄膜的SEM图;
图2为实施例2制备的NH2-MIL-125的SEM图;
图3为本申请实施例2制备的基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的SEM图;
图4为图3中A部的放大图;
图5是用于体现经过静电纺丝过程所制得纯PVDF薄膜和实施例2的基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的介电常数和介电损耗图,以及上述两种薄膜的击穿场强图;
图6是用于体现经过静电纺丝过程所制得纯PVDF薄膜和实施例2的基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的储能密度。
图7是用于体现未经过静电纺丝的纯PVDF粉末、经过静电纺丝过程所制得纯PVDF薄膜、实施例2制备的基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜、以及NH2-MIL-125粉末的XRD图。
具体实施方式
以下结合附图1~7和实施例对本申请作进一步详细说明。
聚合物材料与有机基板或者印刷电路板的相容性良好,具有大面积成膜的优势。为了得到高介电常数和储能密度的聚合物薄膜材料,相关学者和行业内人员做了很多努力。一方面,复合法是获得高介电常数的有效方法之一,该方法可以使聚合物基复合介电材料既具有高介电常数,又具有优异的加工性能。因此,发明人发现利用NH2-MIL-125作为填料填充至PVDF中,可以显著提高PVDF的接介电性能和储能密度,同时NH2-MIL-125作为填料,其自身结构特征决定了其与聚合物基体具有良好的相容性和结合力,可以有效提升聚合物基体的机械性能和加工特性。另一方面,申请人对PVDF溶液进行静电纺丝处理,利用电场极化的原理来使PVDF的晶型由α相向β相调整,有效增强PVDF基体的自激发强度,进而促使纯PVDF基体介电常数的提升。此外,基于NH2-MIL-125具有较弱的导电性,通过在PVDF聚合物基体里添加NH2-MIL-125,可诱发Maxwell-Wagner界面极化,致使在基体内部不同相之间的界面上建立空间电荷,从而进一步提升复合材料的介电常数。而电介质材料储能密度与其介电常数实部和击穿场强的二次方均成正比,因此在掺杂NH2-MIL-125之后,PVDF基体的介电常数得到有效提升,而其击穿场强基本未受影响,因此其储能密度也得到有效提升。
综上所述,本申请利用NH2-MIL-125对PVDF进行改性,并配合静电纺丝,大大提升了PVDF的介电常数。
以下结合具体的实施例对本申请的方案进行进一步说明。
实施例
实施例1
本实施例提供一种基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜,其制备方法包括如下步骤:
S1、用量筒量取3 ml甲醇和27 ml的DMF试剂,搅拌3-5 min,混合均匀;
S2、用天平称取0.4 g的2-氨基对苯二甲酸,加入S1制备的溶液中,搅拌至溶解;
S3、用移液枪量取0.46 μl的钛酸异丙酯,加入S2制备的溶液中搅拌30 min;
S4、将S3搅拌完毕的溶液移入反应釜中,置于烘箱内,设置温度为150 ℃,加热24h;
S5、待S4制备的溶液冷却至室温后,取出溶液,利用离心机离心处理,控制离心机转速为7000 r/min,时间为5 min,随后使用体积比为1:9的DMF和甲醇混合溶剂离心洗涤三遍;
S6、洗干净后,弃去上清液取出沉淀,将所得沉淀置于烘箱内,设置温度为60 ℃,烘干至沉淀恒重,随后取出沉淀研磨,得到NH2-MIL-125粉末;
S7、用天平称取0.04 g的NH2-MIL-125粉末放入小瓶中,加入6 ml的DMF溶剂和4ml的丙酮溶剂,使用可加热搅拌器进行搅拌,控制搅拌速率为800 r/min,搅拌时间为12 h,使NH2-MIL-125均匀分散在溶剂中;
S8、用天平称取1.5 g的PVDF,加入步骤S7制备的溶液中;
S9、控制加热搅拌器的转速为1200 r/min,温度为70 ℃,加热搅拌S8制备的溶液,搅拌时间为2 h,使得PVDF溶解到步骤S7制备的溶液中;
S10、利用10 ml的针管对步骤S9制备的溶液进行收集,随后进行静电纺丝,其中,针管和纺丝装置均来自于汇智电纺;控制静电纺丝装置的静电电压为20 kV,针头距收集板15 cm,注射速度1 ml/h;
S11、纺丝成膜之后,取下并放入真空烘箱,设置温度为60 ℃,加热6 h;
S12、将步骤S11制备所得的膜放入平板硫化机进行热压,压力设置为40 MPa,时间为18 min;
S13、成膜取出后,将膜的两侧涂上导电银浆,导电银浆覆盖大小直径为6 mm,随后利用优策电子生产的阻抗分析仪和美国POLYK公司生产的PK-FERRO20B型铁电分析仪进行介电常数的测试和铁电性能的测试,并计算出储能密度。测得介电常数在1 KHz时为24,储能密度为5.3 J/cm3。
实施例2
本实施例提供一种基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜,其制备方法包括如下步骤:
S1、用量筒量取3 ml甲醇和27 ml的DMF试剂,搅拌3-5 min,混合均匀;
S2、用天平称取0.4 g的2-氨基对苯二甲酸,加入S1制备的溶液中,搅拌至溶解;
S3、用移液枪量取0.46 μl的钛酸异丙酯,加入S2制备的溶液中搅拌30 min;
S4、将S3搅拌完毕的溶液移入反应釜中,置于烘箱内,设置温度为150 ℃,加热24h;
S5、待S4制备的溶液冷却至室温后,取出溶液,利用离心机离心处理,控制离心机转速为7000 r/min,时间为5 min,随后使用DMF溶剂和甲醇溶剂离心洗涤三遍;
S6、洗干净后,弃去上清液取出沉淀,将所得沉淀置于烘箱内,设置温度为60 ℃,烘干至沉淀恒重,随后取出沉淀研磨,得到NH2-MIL-125粉末;
S7、用天平称取0.045 g的NH2-MIL-125粉末放入小瓶中,加入6 ml的DMF溶剂和4ml的丙酮溶剂,使用可加热搅拌器进行搅拌,控制搅拌速率为800 r/min,搅拌时间为12 h,使NH2-MIL-125均匀分散在溶剂中;
S8、用天平称取1.5 g的PVDF,加入步骤S7制备的溶液中;
S9、控制加热搅拌器的转速为1200 r/min,温度为70 ℃,加热搅拌S8制备的溶液,搅拌时间为2 h,使得PVDF溶解到步骤S7制备的溶液中;
S10、利用10 ml的针管对步骤S9制备的溶液进行收集,随后进行静电纺丝,其中,针管和纺丝装置均来自于汇智电纺;控制静电纺丝装置的静电电压为20 kV,针头距收集板15 cm,注射速度1 ml/h;
S11、纺丝成膜之后,取下并放入真空烘箱,设置温度为60 ℃,加热6 h;
S12、将步骤S11制备所得的膜放入平板硫化机进行热压,压力设置为40 MPa,时间为18 min;
S13、成膜取出后,将膜的两侧涂上导电银浆,导电银浆覆盖大小直径为6 mm,随后利用优策电子生产的阻抗分析仪和美国POLYK公司生产的PK-FERRO20B型铁电分析仪进行介电常数的测试和铁电性能的测试,并计算出储能密度。测得介电常数在1 KHz时为26,储能密度为5.7 J/cm3
实施例3
本实施例提供一种基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜,其制备方法包括如下步骤:
S1、用量筒量取3 ml甲醇和27 ml的DMF试剂,搅拌3-5 min,混合均匀;
S2、用天平称取0.4 g的2-氨基对苯二甲酸,加入S1制备的溶液中,搅拌至溶解;
S3、用移液枪量取0.46 μl的钛酸异丙酯,加入S2制备的溶液中搅拌30 min;
S4、将S3搅拌完毕的溶液移入反应釜中,置于烘箱内,设置温度为150 ℃,加热24h;
S5、待S4制备的溶液冷却至室温后,取出溶液,利用离心机离心处理,控制离心机转速为7000 r/min,时间为5 min,随后使用体积比为1:9的DMF和甲醇混合溶剂离心洗涤三遍;
S6、洗干净后,弃去上清液取出沉淀,将所得沉淀置于烘箱内,设置温度为60 ℃,烘干至沉淀恒重,随后取出沉淀研磨,得到NH2-MIL-125粉末;
S7、用天平称取0.05 g的NH2-MIL-125粉末放入小瓶中,加入6 ml的DMF溶剂和4ml的丙酮溶剂,使用可加热搅拌器进行搅拌,控制搅拌速率为800 r/min,搅拌时间为12 h,使NH2-MIL-125均匀分散在溶剂中;
S8、用天平称取1.5 g的PVDF,加入步骤S7制备的溶液中;
S9、控制加热搅拌器的转速为1200 r/min,温度为70 ℃,加热搅拌S8制备的溶液,搅拌时间为2 h,使得PVDF溶解到步骤S7制备的溶液中;
S10、利用10 ml的针管对步骤S9制备的溶液进行收集,随后进行静电纺丝,其中,针管和纺丝装置均来自于汇智电纺;控制静电纺丝装置的静电电压为20 kV,针头距收集板15 cm,注射速度1 ml/h;
S11、纺丝成膜之后,取下并放入真空烘箱,设置温度为60 ℃,加热6 h;
S12、将步骤S11制备所得的膜放入平板硫化机进行热压,压力设置为40 MPa,时间为18 min;
S13、成膜取出后,将膜的两侧涂上导电银浆,导电银浆覆盖大小直径为6 mm,随后利用优策电子生产的阻抗分析仪和美国POLYK公司生产的PK-FERRO20B型铁电分析仪进行介电常数的测试和铁电性能的测试,并计算出储能密度。测得介电常数在1 KHz时为25,储能密度为5.5 J/cm3
结合图1~4:实施例2采用静电纺丝法制备了PVDF薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)观察其纤维形貌,具体使用型号为日本HITACHI SU8010。如图1所示,纺丝液以纤维形式沉积到收集板上,所得纤维较为均匀,纤维形貌清晰,整体呈现出连续的网络结构,直径分布在300-1100 nm,平均直径为500 nm。图2为NH2-MIL-125的SEM图,图中可以看出NH2-MIL-125呈现明显的圆饼状形貌,且大小均一,粒径大小约为1 μm。图3和4为基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的SEM图,其中图4为图3的局部放大图,可以看到基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜较PVDF纤维更加均匀,直径分布在400-1000 nm,平均直径为500 nm,整体呈现出连续的网络结构,这是由于NH2-MIL-125电荷转移速率快,大量载流子被高压电场捕获,导致纺丝液受到的电场力与静电库仑斥力增大,纺丝液的拉伸强度变大,更有利于静电纺丝的进行。并且由图4可以清晰的看出,NH2-MIL-125颗粒被均匀地包裹在PVDF纤维之中,这样可以有效的防止NH2-MIL-125颗粒发生明显的团聚现象,从而保证了基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的介电损耗没有明显上升。
纯PVDF薄膜和基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的介电常数和介电损耗如图5a所示,纯PVDF薄膜的介电常数在1 KHz时约为10,基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的介电常数在相同频率下约为26,介电常数提升了160%,这是由于掺入了NH2-MIL-125,诱发Maxwell-Wagner界面极化,致使在基体内部不同相之间的界面上建立空间电荷;另一方面,由于NH2-MIL-125的填充,可以使PVDF基体的晶型进一步向β相转变,使得在外电场作用下,聚合物基体内部沿电场方向产生感应偶极矩,整个电介质对外感生出不等于零的宏观偶极矩,而界面空间电荷的累积和基体偶极矩的提升都有利于提高PVDF的介电常数。于此同时,在介电常数提升的同时,介电损耗在高频段并没有很明显的增高。
纯PVDF薄膜和基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的击穿场强如图5b所示。PVDF薄膜的击穿场强为243.9 kV/mm,而基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的击穿场强为238.8 kV/mm,并没有明显降低,这是由于NH2-MIL-125被均匀地包覆在PVDF纤维中,一定程度上阻止了NH2-MIL-125之间形成导电网,同时也确保了复合薄膜的介电损耗相对于纯PVDF基体基本保持不变。
纯PVDF薄膜和基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的储能密度如图6所示,纯PVDF薄膜的储能密度为2.4 J/cm3,基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的储能密度为5.7J/cm3,储能密度提升了137%。由此可见,本申请成功制备出了基于PVDF的NH2-MIL-125填充型高储能密度介电薄膜。
结合图7可知,图7为未经过静电纺丝的纯PVDF粉末、经过静电纺丝制备所得纯PVDF薄膜、基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜和NH2-MIL-125粉末的XRD图,通过XRD图可以区分PVDF的晶型。2θ=17.7°(100)、19.9°(110)、18.4°(020)、26.7°(021)、35.7°(200)和38.6°(131)为α相不同晶面的特征峰,18.5°、20.1°、38.7°则分别对应γ相的(020)、(110)、(211)晶面。β相的特征峰分别位于20.8°和36.6°。通过XRD图可以看出,PVDF在不经过其他外界条件处理的情况下从熔融状态下结晶,得到的晶型主要是α相,γ相较难获得,高的结晶温度有利于γ相的生成。在经过静电纺丝和热压后得到的PVDF薄膜晶型由α相向β相和γ相进行转化,18.4°和19.9°的α相特征峰向右偏移,转化为γ相的特征峰,这是由于热压过程中的高温使PVDF的晶型向γ相调整,26.7°、35.7°和38.6°的α相特征峰逐渐减弱。经过静电纺丝得到的PVDF薄膜在36.6°处开始有β相的特征峰出现,证明了静电纺丝有利于使PVDF的晶型由α相向β相转变。在基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的XRD图中可以看出,20.8°和36.6°处β相的特征峰逐渐变明显,表明NH2-MIL-125填充材料有助于PVDF基体的晶型向β相调整,这个结果同时也印证了NH2-MIL-125的填充有助于提升PVDF基体的介电常数。同时复合薄膜在6.7°、9.7°、11.6°和15.3°左右发现了NH2-MIL-125的特征峰,证明了基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜的成功制备。
本申请作出的贡献:
1.BOPP薄膜的介电常数仅为2.2,严重限制了其能量密度,而PVDF聚合物相对BOPP而言,介电常数本就更高,此外本申请还通过掺杂NH2-MIL-125并配合静电纺丝流程,大大提升了介电薄膜的介电常数,在1 KHz下将介电常数提高至26。
2.现有市场上商业化BOPP薄膜电容电能密度仅1-2 J/cm3,其储能密度较低,难以满足日渐发展的市场对介电薄膜的需求;而本申请利用PVDF高分聚合物,掺杂NH2-MIL-125,并配合静电纺丝流程,使得改性后的PVDF介电薄膜具有优异的储能密度,其中储能密度可以达到5.7 J/cm3。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释,并不是对本申请的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (5)
1.一种NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法,其特征在于,包括如下的步骤:
a.称取NH2-MIL-125,分散于DMF和丙酮的混合溶剂中,按每10 ml DMF和丙酮的混合溶剂称取0.04~0.05 g NH2-MIL-125的比例分散;以600~800 r/min的转速搅拌10~14 h,将NH2-MIL-125均匀分散,得到混合液A;
b.称取混合液A重量13~16 wt%的PVDF,加入混合液A中,控制搅拌器温度为60~80 ℃,转速为1000~1400 r/min,搅拌1.5~2.5 h,将PVDF溶于混合液A中,得到溶液B;
c.利用溶液B进行静电纺丝,得到薄膜,将薄膜烘干5~7 h,随后对其进行热压处理,控制压力为40~45 MPa,时间为15~18 min,得到所述的基于PVDF的NH2-MIL-125填充介电薄膜。
2.根据权利要求1所述的NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法,其特征在于:步骤a中,所述DMF和丙酮的混合溶剂为DMF与丙酮按体积比3:2复配形成的混合溶剂。
3.根据权利要求1所述的NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法,其特征在于:步骤b中,PVDF的加入量为混合液A重量的15 wt%。
4.根据权利要求1所述的NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法,其特征在于,步骤c中所述静电纺丝的具体步骤为:利用针管抽取溶液B,控制静电电压为20~30 kV,针头距收集板的距离为12~20 cm,纺丝速率为1 ml/h。
5.根据权利要求1所述的NH2-MIL-125填充介电薄膜的制备方法,其特征在于,所述NH2-MIL-125的制备方法包括如下步骤:
S1、按体积比1:8~10对应量取甲醇和DMF,充分混合3~5 min,得到溶剂A;
S2、称取2-氨基对苯二甲酸,加入溶剂A中,添加量为每15 ml的溶剂A加入0.2 g;充分搅拌至2-氨基对苯二甲酸溶解,得到溶液C;
S3、按体积比0.8~1:60000对应量取钛酸异丙酯和溶液C,将两者混合后充分搅拌;
S4、控制烘箱温度为140~160 ℃,将S3所得溶液加热22~26 h,随后冷却至室温,对反应液进行离心操作,控制离心机转速6000~8000 r/min,时间为4~6 min,弃去上清液即得到沉淀;
S5、利用体积比1:9的DMF和甲醇混合溶剂洗涤S4的沉淀,离心并弃去上方洗涤液,重复操作3次,得到干净的沉淀物;
S6、将S5所得沉淀在55~65 ℃条件下烘干至恒重,即得到所述的NH2-MIL-125。
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Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104650509A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-05-27 | 同济大学 | 一种高储能密度的聚偏氟乙烯复合薄膜的制备方法 |
CN105315587A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-10 | 北京科技大学 | 核-壳结构的聚合物基介电储能复合薄膜材料及制备方法 |
CN108918627A (zh) * | 2018-08-01 | 2018-11-30 | 济南大学 | 一种基于MOFs材料竞争型电化学免疫传感器的制备方法及应用 |
CN110038642A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-07-23 | 沈阳师范大学 | 一种具有超深脱硫性能的TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米纤维 |
WO2020191003A1 (en) * | 2019-03-21 | 2020-09-24 | Ford Cheer International Limited | Electrospun composite separator for electrochemical devices and applications of same |
CN112759770A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-07 | 江汉大学 | 一种功能化NH2-MIL125(Ti)及其制备方法和应用 |
CN113429600A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-09-24 | 宁波大学 | 一种银-二氧化钛填料掺杂聚偏氟乙烯的电介质复合薄膜及其制备方法 |
CN113634258A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-12 | 浙江理工大学 | 一种用于光催化还原二氧化碳生成乙烯的催化剂及其制备方法 |
CN114561072A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-05-31 | 浙江工业大学 | 一种无机填料掺杂改性fep复合介电薄膜的制备方法 |
CN116925371A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-10-24 | 大连理工大学 | 一种不同形貌NH2-MIL-125(Ti)的制备方法及应用 |
CN117181025A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-12-08 | 南京师范大学 | 一种缺陷MOFs基自清洁超滤膜材料及其制备方法和应用 |
-
2024
- 2024-01-25 CN CN202410105346.1A patent/CN117626533A/zh active Pending
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104650509A (zh) * | 2015-01-14 | 2015-05-27 | 同济大学 | 一种高储能密度的聚偏氟乙烯复合薄膜的制备方法 |
CN105315587A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-10 | 北京科技大学 | 核-壳结构的聚合物基介电储能复合薄膜材料及制备方法 |
CN108918627A (zh) * | 2018-08-01 | 2018-11-30 | 济南大学 | 一种基于MOFs材料竞争型电化学免疫传感器的制备方法及应用 |
WO2020191003A1 (en) * | 2019-03-21 | 2020-09-24 | Ford Cheer International Limited | Electrospun composite separator for electrochemical devices and applications of same |
CN110038642A (zh) * | 2019-04-23 | 2019-07-23 | 沈阳师范大学 | 一种具有超深脱硫性能的TiO2@NH2-MIL-125(Ti)纳米纤维 |
CN112759770A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-07 | 江汉大学 | 一种功能化NH2-MIL125(Ti)及其制备方法和应用 |
CN113429600A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-09-24 | 宁波大学 | 一种银-二氧化钛填料掺杂聚偏氟乙烯的电介质复合薄膜及其制备方法 |
CN113634258A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-11-12 | 浙江理工大学 | 一种用于光催化还原二氧化碳生成乙烯的催化剂及其制备方法 |
CN114561072A (zh) * | 2022-03-02 | 2022-05-31 | 浙江工业大学 | 一种无机填料掺杂改性fep复合介电薄膜的制备方法 |
CN116925371A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-10-24 | 大连理工大学 | 一种不同形貌NH2-MIL-125(Ti)的制备方法及应用 |
CN117181025A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-12-08 | 南京师范大学 | 一种缺陷MOFs基自清洁超滤膜材料及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
李军桦: "《塑料配方设计》", 30 September 2019, 中国轻工业, pages: 327 - 329 * |
殷明: "《学海图南》", 30 April 2014, 苏州大学, pages: 464 - 468 * |
马雯雯: "《NH2-MIL-125(Ti)/TiO2 复合纳米纤维 的合成及其脱硫性能》", 《沈阳师范大学学报》, vol. 38, no. 2, 30 April 2020 (2020-04-30), pages 125 - 131 * |
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