多孔二氧化硅纤维静电纺丝液及静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔二氧化硅纤维静电纺丝液及静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法，静电纺丝液由二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、造孔剂等组成，造孔剂为碳纳米球、聚甲基丙烯酸甲酯纳米球、聚苯乙烯纳米球，通过静电纺丝制备得到二氧化硅/造孔剂/聚乙烯醇复合纤维，通过高温煅烧同时实现造孔剂和聚乙烯醇的氧化分解，制备得到无机多孔二氧化硅纤维结构。本发明专利技术制备得到的多孔二氧化硅纤维具有耐高温、耐腐蚀的特点，同时呈现为柔性，耐久性好，可用于酸、碱等多个环境中，可应用于表面吸附与分离、催化剂载体、离子吸附，污水处理等。

【技术实现步骤摘要】
多孔二氧化硅纤维静电纺丝液及静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法
本专利技术属于功能纤维的制备
，涉及一种无机多孔纤维的制备方法，具体涉及一种多孔二氧化硅微纳米纤维的制备方法。
技术介绍
静电纺丝技术被广泛用于制备一维纤维材料，形成的纤维具有比表面积大、成份多样、尺寸可调等优点，作为生物基底、电极材料、催化剂、环境滤膜等受到研究者的青睐。其中，静电纺丝多孔纤维由于具有低密度、大比表面积、高的吸附能力、大的表面粗糙度等特性，大大扩大了静电纺丝纤维的应用领域，使其在过滤、吸附、组织生长等相关领域的应用性能得到显著提高，静电纺丝制备多孔结构的纤维材料在未来有着广阔的发展前景。现有的利用静电纺丝技术制备多孔纤维材料的方法主要通过相分离(热致相分离、气相诱导相分离、非溶剂诱导相分离)或者后处理方式来实现。后处理方式通过紫外线照射、热处理、洗涤等去除纤维的某些成分，形成含有孔洞的纤维。然而以上方法，一方面主要用于制备成份为有机高分子材料的多孔纤维，无极材料制备多孔纤维时，材料本身的柔性难以保持，且纤维及其上孔结构的尺寸难以控制，另一方面，后处理过程需要较多和繁琐的实验步骤。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多孔二氧化硅纤维静电纺丝液及静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种多孔二氧化硅纤维静电纺丝液，该纺丝液是由二氧化硅溶胶、造孔剂以及质量分数为10～30％的聚乙烯醇(PVA)水溶液经分散混匀制成的均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，所述二氧化硅溶胶:造孔剂:聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.04～0.2):(0.8～1.2)，所述造孔剂为热分解温度低于500℃的纳米颗粒。所述造孔剂选自碳纳米球、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米球、聚苯乙烯(PS)纳米球等有机纳米颗粒中的一种或者两种以上组合。一种静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法，包括以下步骤：步骤一、将上述造孔剂加入至二氧化硅溶胶中，超声波振荡分散0.5～1.0h，得混合物，再向混合物中加入质量分数为10～30％的聚乙烯醇水溶液，搅拌2～6h，制备得到均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，即为静电纺丝液，所述二氧化硅溶胶:造孔剂:聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.04～0.2):(0.8～1.2)；步骤二、所述纺丝液经静电纺丝得复合纤维，将复合纤维干燥后利用煅烧去除造孔剂和聚乙烯醇，得到多孔二氧化硅(SiO2)纤维。所述二氧化硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：以正硅酸乙酯(TEOS)作为二氧化硅溶胶前驱体，以水作为溶剂，以H3PO4作为催化剂，将正硅酸乙酯经水解缩合制成二氧化硅溶胶，正硅酸乙酯:水:H3PO4的质量比为1:(0.9～1.1):(0.01～0.02)。所述水解缩合的反应条件为：将正硅酸乙酯、水及H3PO4混合，混合中控制H3PO4的加入速度为于30～60min内加完，然后于20～30℃下搅拌6～24h。所述静电纺丝具体包括以下步骤：将所述纺丝液注入静电纺丝设备的注射器中，利用静电纺丝设备制备成复合纤维，注射器针头连接电源正极，锡箔纸作为负极收集纤维；正负极间的距离为10～15cm，纺丝电压为10～20kV，注射泵推进速度为200～400μL/min。所述复合纤维的干燥条件为：于80～120℃烘箱干燥2～4h。所述煅烧具体包括以下步骤：将干燥后的复合纤维置于马弗炉，然后以5～10℃/min的升温速度加热至750～900℃，并在该温度下保温处理2～4h，即可得多孔二氧化硅纤维。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术先通过含有纳米颗粒造孔剂的纺丝液经静电纺丝制备二氧化硅/纳米球/PVA复合纤维，然后通过高温煅烧，利用造孔剂在高温条件下氧化分解，在纤维内部留下孔洞结构，一步实现二氧化硅纤维的制备和造孔剂及聚合物(PVA)的热分解去除，制备得到多孔二氧化硅纤维。通过控制二氧化硅溶胶、造孔剂与聚乙烯醇水溶液的质量比，保证介稳体系符合静电纺丝纤维合成要求，使造孔剂均匀分布，使纤维中孔结构的尺寸调控难度降低；通过对静电纺丝液中造孔剂的尺寸大小、含量进行调控，从而调节纤维内部孔径的大小及分布，原料易得，方法简单易行，可用于快速制备多孔二氧化硅纤维。本专利技术制备的多孔二氧化硅纤维纯度高，可充分发挥二氧化硅具有耐高温、耐腐蚀的特点，同时即便在煅烧后依旧呈现出柔性，纤维尺寸可控、耐久性好，可用于酸、碱等多个环境中，在表面吸附与分离、催化剂载体、离子吸附，污水处理等领域均有良好的应用前景。进一步的，通过控制H3PO4的加入速度调节二氧化硅溶胶制备中正硅酸乙酯的水解程度，从而可以将二氧化硅纤维的尺寸控制在微纳米范围内。进一步的，通过控制静电纺丝工艺参数，使得静电纺丝液形成相互交织成膜的复合纤维，并更好的保持二氧化硅的柔性。进一步的，通过在煅烧前对复合纤维进行干燥，除去纤维中的水份，更好地保持纤维的形貌。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的多孔二氧化硅纤维的扫描电子显微镜照片。图2为本专利技术实施例1中制备的多孔二氧化硅纤维的红外光谱图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例用于解释本专利技术，但不用来限制本专利技术的保护范围。实施例1步骤一、取1g二氧化硅溶胶加入50mg平均直径为110nm的碳纳米球，超声波分散均匀(0.5h)，再向其中加入质量分数为11％的PVA水溶液1g，搅拌至均匀(4h)，得到均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，即为静电纺丝液；其中，二氧化硅溶胶制备方法为：以正硅酸乙酯(TEOS)作为二氧化硅溶胶前驱体，以水作为溶剂，H3PO4(85％)作为催化剂，将正硅酸乙酯:水:H3PO4按质量比为1:1:0.01的比例进行混合(其中，H3PO4需要在30～60min内滴加完)，然后室温下搅拌6h，使无机前驱体充分水解、缩合，形成二氧化硅溶胶；其中，PVA水溶液的配制：将PVA加入水中，加热溶解并搅拌均匀，得到PVA水溶液，备用。PVA醇解度87～89％。步骤二、将静电纺丝液注入1mL的带有不锈钢针头的注射器中，控制纺丝速度(即注射泵推进速度)为200μL/min，调节纺丝电压为15kV，调节喷头(即不锈钢针头)至接收板(铺有锡箔纸)的距离为15cm，即可在接收板上收集得到二氧化硅/碳纳米球/PVA复合纤维(纤维交织成膜)。步骤三、将所得的复合纤维(膜)于80℃烘箱干燥2～4h后置于马弗炉中，在空气中按5℃/min的升温速度加热至800℃，并在该温度下保温2h，即可得多孔二氧化硅纤维(纤维交织成膜)。参见图1，本实施例制备的二氧化硅纤维具有多孔结构，纤维的直径分布在0.8～1.2μm，孔的直径为60～70nm。参见图2，本实施例制备的二氧化硅纤维的红外光谱中，仅在1078cm-1、790cm-1和455cm-1有明显的Si-O-Si吸收峰，无其它杂峰。实施例2步骤一、取1g实施例1制备的二氧化硅溶胶加入75mg平均直径为300nm的聚甲基丙烯酸甲酯纳米球，超声波分散均匀(0.5h)，再向其中加入质量分数为11％的PVA水溶液1g，搅拌至均匀(4h)，得到均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，即为静电纺丝液。步骤二、将静电纺丝液注入1mL的带有不锈钢针头的注射器中，控制纺丝速度为250μL/min，调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔二氧化硅纤维静电纺丝液，其特征在于：该纺丝液是由二氧化硅溶胶、造孔剂以及质量分数为10～30％的聚乙烯醇水溶液经分散混匀制成的均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，所述二氧化硅溶胶:造孔剂:聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.04～0.2):(0.8～1.2)，所述造孔剂为热分解温度低于500℃的纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种多孔二氧化硅纤维静电纺丝液，其特征在于：该纺丝液是由二氧化硅溶胶、造孔剂以及质量分数为10～30％的聚乙烯醇水溶液经分散混匀制成的均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，所述二氧化硅溶胶:造孔剂:聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.04～0.2):(0.8～1.2)，所述造孔剂为热分解温度低于500℃的纳米颗粒。2.根据权利要求1所述一种多孔二氧化硅纤维静电纺丝液，其特征在于：所述造孔剂选自碳纳米球、聚甲基丙烯酸甲酯纳米球、聚苯乙烯纳米球中的一种或者两种以上组合。3.一种静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将造孔剂加入至二氧化硅溶胶中，超声波振荡分散0.5～1.0h，得混合物，再向混合物中加入质量分数为10～30％的聚乙烯醇水溶液，搅拌2～6h，制备得到均质溶胶/造孔剂/聚乙烯醇介稳体系，即为静电纺丝液，所述二氧化硅溶胶:造孔剂:聚乙烯醇水溶液的质量比为1:(0.04～0.2):(0.8～1.2)；所述造孔剂为热分解温度低于500℃的纳米颗粒；步骤二、所述纺丝液经静电纺丝得复合纤维，将复合纤维干燥后利用煅烧去除造孔剂和聚乙烯醇，得到多孔二氧化硅纤维。4.根据权利要求3所述一种静电纺丝法制备多孔二氧化硅纤维的方法，其特征在于：所述二氧化硅溶胶的制备方法，包括以下步骤：以正硅酸乙酯作为二氧化硅溶胶前驱体，以水作为溶剂，以H3PO4作为催化剂，将正硅酸乙酯经水...

【专利技术属性】
技术研发人员：常梦洁，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61