原位生长ZIF-67制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜的方法技术

本发明专利技术设计一种原位生长ZIF

【技术实现步骤摘要】
原位生长ZIF
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67制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜的方法


[0001]本专利技术涉及一种具有突出压电性能的聚偏氟乙烯纳米纤维膜的制备方法
，具体设计使用ZIF
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67原位生长方式制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜，属于功能高分子纤维

技术背景
[0002]智能可穿戴设备以物联网为技术基础，并具有小型化和丰富的功能化等特点。这对能源供应单元提出了柔性、集成性和易维护性等要求。柔性压电纳米发电机可以将低功率密度的机械能转化为电能，在多种环境下构建自供电电源单元，拓宽智能可穿戴设备的发展。压电传感器具有快速响应和自供电特性等突出优势，但大多数压电薄膜仍存在低变形等问题，导致其适用性和兼容性差，限制其进一步发展。
[0003]聚偏氟乙烯(PVDF)是一种具有压电效应的半晶体聚合物，PVDF的压电效应归因于反式TTTT螺旋结构的β晶型的存在，其中两个氟原子同时与一个碳原子结合并且C
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F键具有强极性，使PVDF单体形成巨大的偶极矩，这使得PVDF具有很强的压电特性。静电纺丝过程射流的有效拉伸是引发PVDF结晶学转变的最常见原因，也是极化β结晶形成的关键机制。也有研究表明，纳米结构的原位生长产生的纳米级别拉伸力也会对β相含量做出积极贡献。Li等利用原位生长ZnO设计一种PVDF
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ZnO纳米线混合动力发电机。ZnO的原位生长时的牵伸力促进了PVDF的相变，通过拉伸和扩大接触面来增加β相含量。(Zetang，Li Xu，Zhang Guanghe，Li.In situ ZnO nanowire growth to promote the PVDF piezo phase and the ZnO
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PVDF hybrid self
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rectified nanogenerator as a touch sensor.[J].Physical chemistry chemical physics：PCCP，2014，16(12)，5475
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9.)此外，压电特性是应变能和电能之间的关系，当压电材料具有更加明显的变形，可提高其压电输出。Sun等以ZnO颗粒为种子低温水热原位生长ZnO纳米棒，增加PAN纳米纤维的径向尺寸，在相同的压缩力下可以产生更大形变，提高机电转换效率，压电响应电流达到2.3μA，输出电压为6.5V，大约是纯PAN的2.7倍。(Yue，SunYong，Liu Yide，Zheng Zongjie，Li Jie，Fan Liang，Wang Xuqiong，Liu Jian，Liu Wan，Shou.Enhanced Energy Harvesting Ability of ZnO/PAN Hybrid Piezoelectric Nanogenerators.[J].ACS Applied Materials&Interfaces，2020，12(49).)
[0004]金属有机框架(MOFs)是一类多孔材料，具有前所未有的化学和结构可调性，其优点是具有永久的孔隙率、高表面积和结构灵活性。而且它们的模块化性质允许巨大的合成调整性，提供精细的化学和结构控制。通过创造性的合成设计，孔隙率、稳定性、颗粒形态和导电性等特性可以为特定的应用量身定做，调整MOF前体成分和操纵转化过程是化学和结构控制的两个主要策略，MOF可以被放大、加工和功能化，以赋予新的物理和化学特性、电荷传导和可调整的孔隙率。Bentolhoda Hadavi Moghadam等人使用含有锆基金属有机骨架(MOF)的PVDF纳米纤维薄膜来制备新型可穿戴压电传感器。在PVDF纳米纤维中掺入5wt％的
MOF，使纤维薄膜的压电常数增加了3.4倍，在55N的外力作用下，峰
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峰电压达到600mV。(Bentolhoda Hadiavi，Moghadam Mahdi，Hasanzadeh Abdolreza，Simchi.Self
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Powered Wearable Piezoelectric Sensors Based on Polymer Nanofiber
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Metal
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Organic Framework Nanoparticle Composites for Arterial Pulse Monitoring.[J].ACS Appl，Nano Mater，2020，3(9)，8742
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8752.)
[0005]本专利技术探讨出原位生长ZIF
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67制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜的制备方法。通过该方法制备的纳米纤维膜中的分支结构为ZIF
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67原位生长提供了丰富的着位点。纳米纤维径向尺寸的延伸，使其在相同的压缩力条件下可以产生更大的形变，提高机电转换效率。同时，原位生长时产生的纳米级别拉伸力增加PVDF分子链的牵伸，促进相变，提高β相含量。下面是具体的
技术实现思路
。

技术实现思路

[0006]本专利技术涉及一种原位生长ZIF
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67制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜的方法，采用本专利技术的技术方案能够制备出一种优异压电响应的PVDF压电纳米纤维膜，因其较大幅度的变形率和高β相含量，赋予该纳米纤维膜机电转换能力，表现出优异的压电响应。本专利技术所制备的PVDF压电纳米纤维膜在智能可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。
[0007]木专利技术所述的原位生长ZIF
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67制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜的方法，其特征在于，包括：
[0008](1)纺丝液的配制：将一定量PVDF粉末加入到DMF和丙酮复合溶剂中，40～50℃下搅拌使PVDF粉末完全溶解，配制出浓度为17～19％的PVDF溶液；然后将一定量有机支化盐加入上述溶液中，不断搅拌至完全溶解，最后将无机钴盐在室温下搅拌溶解到上述混合溶液中。其中有机支化盐占PVDF溶液质量百分比为0.5％～3.5％，无机钴盐占纺丝液的质量百分比为0.1～1.0％。(2)静电纺丝：将上一步纺丝液采用静电纺丝法进行纺丝，纺丝电压为20～30kV，接收距离为10～15cm，供液速率为0.3～1.0mL/h，温度保持在25
±
5℃，相对湿度保持在35
±
10％。(3)ZIF
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67的原位生长：将Co(NO3)2·
6H2O和2
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甲基咪唑分别溶于50mL的甲醇中。再将2
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甲基咪唑溶液缓慢地加入到持续搅拌的硝酸钴溶液中配制ZIF
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67的原位生长液。然后迅速将纺制的纤维膜放入到生长液中，在室温下进行一定时间的原位生长。最后将膜拿出并用甲醇充分地冲洗后在烘箱中进行烘干。
[0009]本专利技术所述有机支化盐为四丁基六氟磷酸铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丙基氯化铵中的任意一种，分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位生长ZIF
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67制备聚偏氟乙烯皮芯结构压电纳米纤维膜的方法，其特征在于，包括：(1)纺丝液的配制：将一定量聚偏氟乙烯(PVDF)粉末加入到不同体积配比的N，N
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二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮复合溶剂中，40～50℃下搅拌使PVDF粉末完全溶解，配制出浓度为17～19％的PVDF溶液；然后将一定量有机支化盐加入上述溶液中，不断搅拌至完全溶解，最后将无机钴盐在室温下搅拌溶解到上述混合溶液中。其中有机支化盐占PVDF溶液质量百分比为0.5％～3.5％，无机钴盐占纺丝液的质量百分比为0.1～1.0％。(2)静电纺丝：将上一步纺丝液采用静电纺丝法进行纺丝，纺丝电压为20～30kV，接收距离为10～15cm，供液速率为0.3～1.0mL/h，温度保持在25
±
5℃，相对湿度保持在35
±
10％。(3)Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：厉宗洁，贾梦格，刘雍，康卫民，王鑫慧，王树业，赵良，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：