一种氧化硅纳米纤维的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化硅纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：将硅溶胶与硝酸盐溶液混合并超声分散，待硝酸盐溶液溶解后加入乙二胺，搅拌均匀，得到混合溶液；将混合溶液移入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭后在高温烘箱中静置，进行水热反应；反应完成后，取出反应釜并冷却至室温，收集得到反应釜内的沉淀物，再将沉淀物洗涤后，得到氧化硅纳米纤维粗产物；将氧化硅纳米纤维粗产物加入到盐酸溶液中，在恒温水浴下搅拌，除去氧化硅纳米纤维粗产物中的杂质组分，再经离心分离，得到氧化硅纳米纤维成品。本发明专利技术通过采用水热合成技术既能避免传统化学气相淀积与热蒸发工艺制备纳米纤维过程中的高能耗，又易于扩大生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种可弯折的，拥有较高柔韧性和难燃性质的氧化硅纳米纤维的制备方法。
技术介绍
在油气储运和油田开发自动化智能化进程中，光纤传感器的开发成为当前动态监测的工作热点。然而，光纤机械性能不佳。核心部分是高折射率氧化硅玻璃纤维，机械强度只有0.2GPa左右，具有易碎的特点。由于运输问题以及安装操作人员的人为疏失，大部分光纤在安装初期就无法正常使用。因而极大的限制了该项技术在油田企业大规模推广。在保证机械强度的同时，开发出一种具有高柔韧性的氧化硅纤维材料成为迫切需要解决的问题。长久以来，科学家一直致力于寻找兼具理想机械强度和柔韧性的新型纤维材料以满足化工、电子、军事等领域的特殊要求。为此，科研人员对多种自然纤维材料(如蜘蛛丝、蚕丝等)和人工合成纤维材料(如高分子聚合物纤维、合金纤维等)进行了大量的断裂机制研究。然而，经过了数十年的努力，研发可同时具有高强度高延展性的纤维材料依然是一项巨大的挑战。这主要源自于材料自身杨氏模量与机械强度属性之间的本质矛盾关系。通常，杨氏模量低的材料具有较强的塑性变形能力，但这也意味着该材料原子之间的键合能力较弱，因而导致机械强度的降低。自从碳纳米管被发现后，一维纳米纤维因其特有的微观结构和藉此衍生的小尺寸效应所展现出与宏观纤维材料显著不同的高机械性能，宽泛的杨氏模量调变范围以及可观的弹性形变极限(4％-7％)，使其成为了下一代高强度高延展性纤维的热门候选(S.<br>Hao等，Science，2013，339，1191-1194.)。到目前为止，已经有多种高强度纳米纤维被研发出来，例如：银纳米线，铜纳米线，锗纳米线，硫化物纳米线以及高分子聚合纳米纤维等。随着对非晶固体，尤其是非晶氧化硅玻璃材料断裂变形机理的探索深入，越来越多的研究意识到氧化硅分子结构具有较强的局部灵活性，特别是Si-O-Si键和O-Si-O键分别可以自由旋转～9-12°和5°。在纳米尺度上，这一独特的长程无序网状结构会驱使缺陷位点自发形成纳米空腔，减少断裂键以保持内部原子之间的关联性，降低体系内能。这些纳米空腔就像粘性流体中的气泡，能够稀释原子密度，诱导产生局部粘性流区域，有效改善非晶氧化硅材料局部区域的延展性能，表现出类似于金属合金的柔韧性。因此，当非晶氧化硅的尺度限制在纳米级别，将会表现出与宏观氧化硅易碎性显著不同的机械效能(G.Brambilla等，NanoLett.，2009，9，831-835)。此外，通过与一维纳米纤维结构结合，可以有效的将缺陷位对机械强度的影响限制在很小的范围内，进而获得同时具备高机械强度(单轴拉伸强度可达8GPa以上)和高延展性(延展率>100％)的氧化硅纳米纤维材料。前期分子动力学模拟初步阐释了这一方案的可行性(Y.C.Chen等，Phys.Rev.Lett.，2007，99，155506)。随后直接原子尺度实验研究进一步证实在纳米氧化硅纳材料中制造氧空穴和离子缺陷，在保证较高机械强度的同时可以显著增强单轴拉伸延展性(K.Zheng等，NatComm.，2010，1，1-8)。尽管有部分报告显示超高强度氧化硅纳米线可以通过自上而下加工技术和高温气相法来实现(L.M.Tong等，NanoLett.，2005，5，259-262)。但是由于合成温度较高，往往造成纳米线产品中缺陷位较多，柔韧性不佳。到目前为止，依然缺少能够在较低能耗下大规模制备高柔韧性氧化硅纳米纤维的有效方法。
技术实现思路
基于上述技术问题，本专利技术提供一种氧化硅纳米纤维的制备方法。本专利技术所采用的技术解决方案是：一种氧化硅纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：a将硅溶胶与硝酸盐溶液混合并超声分散，待硝酸盐溶液溶解后加入乙二胺，搅拌均匀，得到混合溶液；b将步骤a得到的混合溶液移入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭后在高温烘箱中静置，进行水热反应；c反应完成后，取出反应釜并冷却至室温，收集得到反应釜内的沉淀物，再将沉淀物洗涤后，得到氧化硅纳米纤维粗产物；d将步骤c得到的氧化硅纳米纤维粗产物加入到盐酸溶液中，在恒温水浴下搅拌，除去氧化硅纳米纤维粗产物中的杂质组分，再经离心分离，得到氧化硅纳米纤维成品。步骤a中：所述硅溶胶优选为碱性硅溶胶，硅溶胶质量分数优选为30％～40％。硅溶胶具体优选为双孔硅胶或SBA-15分子筛。步骤a中：所述硝酸盐优选为硝酸铁或硝酸银。步骤a中：所述硝酸盐溶液中硝酸盐与硅溶胶中硅的物质的量之比优选为1～2。步骤a中：所述乙二胺与混合溶液中溶剂的体积之比优选为1.6～1.7。步骤b中：水热反应时间优选为3～4天；水热反应温度优选为170～200摄氏度。步骤d中：所述盐酸溶液浓度优选为1～3摩尔/升。步骤d中：所述水浴温度优选为80摄氏度；水浴时间优选为1小时。步骤d中：所述离心速率优选为4000～5000转/分。本专利技术的有益技术效果是：本专利技术提出的氧化硅纳米纤维制备方法便捷高效，成本低廉，通过采用水热合成技术既能避免传统化学气相淀积与热蒸发工艺制备纳米纤维过程中的高能耗，又易于扩大生产，有助于产品从实验室制备向工业应用的转化。本专利技术生产的氧化硅纳米纤维产品的产率高于95％，纯度高，尺寸均匀，产物重现性良好。产品的机械性能优良，可大曲率弯折而不发生断裂和结构损伤，表现出优良的柔韧性。此外，由该氧化硅纳米纤维组成的薄膜也表现出优良的阻燃性、抗拉伸性能，在高热火焰点燃十分钟后，没有发生卷曲碎裂，可保持完整形貌。本专利技术所得到的氧化硅纳米纤维可以广泛的应用于阻燃灭火，高强度防腐层，抗剪切增稠液体(液体防弹材料)以及光纤传感等领域中。采用本专利技术制备方法得到的氧化硅纳米纤维具有可观的长径比(>100)，大比表面积，以及异于宏观玻璃纤维的柔韧性。该结构可组成纵横交织的网络结构，显著增大与外界物质的接触面，能够对周围环境中的物质起到很强的“钉扎”作用。例如，本专利技术制取的氧化硅纳米纤维在乙醇、聚乙二醇等溶液中会产生奇特的抗剪切增稠现象，增大流体粘性。还可以显著改善燃烧后膨胀碳质层的致密性、机械稳定性，增强碳层同设备基体表面的粘附力使之不易脱落，从而有效阻止热量传递，延长耐火极限。此外，由该高强度高韧性纳米纤维构成的空间网络骨架空隙平均尺寸均在100nm以下，空气中的氧气、氮气等分子在其孔隙中的自由流动被极大削弱，显著降低热对流。同时，小孔径会造成单位体积内热反射/散射界面增多，热辐射吸收能力增强，有效降低导热系数。该材料对热量传递、热解物质的逸出以及空气的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化硅纳米纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：a 将硅溶胶与硝酸盐溶液混合并超声分散，待硝酸盐溶液溶解后加入乙二胺，搅拌均匀，得到混合溶液；b 将步骤a得到的混合溶液移入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭后在高温烘箱中静置，进行水热反应；c 反应完成后，取出反应釜并冷却至室温，收集得到反应釜内的沉淀物，再将沉淀物洗涤后，得到氧化硅纳米纤维粗产物；d 将步骤c得到的氧化硅纳米纤维粗产物加入到盐酸溶液中，在恒温水浴下搅拌，除去氧化硅纳米纤维粗产物中的杂质组分，再经离心分离，得到氧化硅纳米纤维成品。

【技术特征摘要】
1.一种氧化硅纳米纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a将硅溶胶与硝酸盐溶液混合并超声分散，待硝酸盐溶液溶解后加入乙二胺，搅拌均匀，得
到混合溶液；
b将步骤a得到的混合溶液移入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭后在高温烘箱中
静置，进行水热反应；
c反应完成后，取出反应釜并冷却至室温，收集得到反应釜内的沉淀物，再将沉淀物洗涤后，
得到氧化硅纳米纤维粗产物；
d将步骤c得到的氧化硅纳米纤维粗产物加入到盐酸溶液中，在恒温水浴下搅拌，除去氧化
硅纳米纤维粗产物中的杂质组分，再经离心分离，得到氧化硅纳米纤维成品。
2.根据权利要求1所述的一种氧化硅纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤a中：所述硅
溶胶为碱性硅溶胶，硅溶胶质量分数为30％～40％。
3.根据权利要求1所述的一种氧化硅纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤a中：所述硅
溶胶为双孔硅胶或SBA-15分子筛。
4.根据权利要求1所述的一种氧化硅纳米纤维的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇鑫，张卫华，陶彬，单晓雯，甄永乾，贾光，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11