一种柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：配置TiO2前驱体溶液，所述前驱体溶液含有钛源、高分子聚合物和溶剂；步骤2：将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜；步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜；步骤4：将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。

Preparation of a Flexible Conductive Ceramic Fiber Membrane

【技术实现步骤摘要】
一种柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法
本专利技术涉及一种柔性陶瓷纤维膜的制备方法以及在常温下快速提升其电导率的方法，属于新材料加工

技术介绍
氧化物陶瓷由于其独特的电子结构、优异的热性能和化学稳定性，在能源存储、光催化和传感等领域得到了广泛的研究和应用。然而，这些材料通常具有较大的带隙和较低的室温载流子迁移率，致使其电导率较低。这些因素严重制约了氧化物陶瓷材料的应用范围。因此，寻找具有优异导电性能的氧化物陶瓷材料，意义重大。在众多氧化物陶瓷材料中，TiO2以其丰富、廉价、无毒、独特的光学和电学性能等优点，引起了广泛关注。然而，TiO2陶瓷的电导率较低，几乎是绝缘体。研究发现，黑色TiO2纳米材料可以大幅度地提升TiO2的电导率，进而扩大了其应用范围，包括高性能光催化、锂离子电池、超级电容器、燃料电池、光电化学传感器、场发射电极和微波吸收剂等领域。目前，研究者已经开发出很多方法制备黑色TiO2，包括在高温下应用H2或N2还原TiO2，使用金属Al粉或Mg粉加热TiO2颗粒进行还原，以及应用等离子体处理等方法。Chen(Science,2011,331(6018):746-750)等人在200℃下，通过氢气处理TiO2纳米颗粒电极材料，时长5天，得到黑色TiO2纳米颗粒，其光能转换效率具有显著地提升。Wang(Energy&EnvironmentalScience,2013,6(10):3007-3014)等人采用真空下双区管式炉(温度分别为800℃和600℃)加热铝还原方法，经过6小时还原，得到具有优异光催化性能的黑色TiO2纳米材料。然而，这些还原方法存在一些问题。比如，高能粒子还原TiO2需要昂贵的设备支持；应用氢气和金属还原需要在高温下反应较长时间，极大的提升了制备成本。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种低成本的柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：配置TiO2前驱体溶液，所述前驱体溶液含有钛源、高分子聚合物和溶剂；步骤2：将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25～55℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25～55℃，接收装置的转速为20～100n/min；步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜；步骤4：将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。在纤维膜表面滴加溶剂后，在溶剂的作用下，TiO2和金属锂快速发生化学反应,3s内发现柔性TiO2陶瓷纤维膜颜色由白变黑，部分Ti的价态从+4价变为+3价，导致TiO2陶瓷纤维膜的电子电导率增大。本专利技术还提供了一种柔性导电陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：配置氧化物陶瓷纤维前驱体溶液；步骤2：将所得的氧化物陶瓷纤维前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25～55℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25～55℃，接收装置的转速为20～100n/min；步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性陶瓷纤维膜；步骤4：将所得的柔性陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电陶瓷纤维膜。优选地，所述的氧化物为二氧化锡(SnO2)，钛酸锂镧(LLTO)或钛酸钡(BTO)。优选地，所述的前驱体溶液中，高分子聚合物与溶剂的质量比为1：10～1：80。优选地，所述的高分子聚合物和溶剂的质量比为1：12～1：80。优选地，所述的TiO2前驱体溶液的制备方法包括：在20～100℃下将高分子聚合物溶解在溶剂中搅拌30～480min，然后加入钛源，搅拌10～360min，得到TiO2前驱体溶液。优选地，所述的钛源为三氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、四氯化钛、硫酸氧钛、乙酰丙酮氧钛和钛酸四乙酯中的至少一种。优选地，所述的溶剂为水、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、乙酰丙酮，冰乙酸和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。优选地，所述的高分子聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。优选地，所述的静电纺丝的参数为：相对湿度20％～70％，灌注速度0.5～90mL/h，电压8～50kV，接收装置与喷丝口间的距离10～30cm，所述接收装置为金属滚筒。优选地，所述的煅烧包括：从室温逐步升温至600～1000℃，升温速率为2～10℃/min，并在600～1000℃下保持0～480min。优选地，所述的步骤4中的溶剂为碳酸乙烯酯，乙二醇二甲醚，N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺，N-甲基吡咯烷酮，碳酸甲乙酯和1,3-二氧戊环的至少一种。优选地，所述的柔性TiO2陶瓷纤维膜中纤维的平均直径为100～450nm，相对标准偏差为1～5％，内部晶粒尺寸为10～100nm，TiO2陶瓷纤维膜的柔软度为10～70mN。纤维直径范围表明纤维直径较小，单纤维柔软度较好，有利于提高纤维膜的柔软度；相对标准偏差用以表征纤维直径分布的均匀性，偏差值越小，纤维均匀性越好；晶粒尺寸与纤维膜力学性能密切相关。本专利技术是一种可控制备方法，柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的强度和柔软度，以及纤维的细度可以通过静电纺丝过程中电压，纺丝距离，滚筒转速以及煅烧过程中升温速率，煅烧温度来调控。本专利技术还提供了上述的制备方法所制备的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。本专利技术首先制备柔性白色不导电的TiO2陶瓷纤维膜，然后提出了在常温下超快速还原TiO2提升其电导率的方法，将TiO2陶瓷纳米纤维膜转变为黑色导电的TiO2陶瓷纤维膜。所制备的柔性、导电黑色TiO2陶瓷纤维膜可用于光催化、锂电池电极材料以及微电子器件等能源和电子领域。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：1、本专利技术通过简单的静电纺丝方法制备了柔性TiO2陶瓷纤维(膜)材料。静电纺工艺制备纤维设备简便，周期较短、原料适应性广，从而降低了生产成本。2、本专利技术通过将柔性TiO2陶瓷纤维和金属锂片轻轻接触，3s内可迅速还原TiO2，得到具有独特的电学、光学和力学性能的黑色导电TiO2。此方法节约能耗并提高时间效率。3、现有的TiO2陶瓷材料由离散型微米颗粒组成，力学及界面电化学性能较差；本专利技术制备了柔性TiO2陶瓷纤维膜，其被还原后仍然具有较好的柔性，有助于其在能源智能可穿戴领域的应用。4、本专利技术采用廉价的有机溶剂作为催化剂，用金属锂片还原TiO2陶瓷材料，提高其电子电导率，在锂电池方面具有潜在的应用。5、本专利技术使用的制备方法是在常温下进行的，过程十分迅速，节能节时，同时所制备的导电黑色TiO2陶瓷纤维膜，比表面积大、力学柔韧性好，在光催化领域，能源领域的电催化、电池电极材料等方面具有潜在的应用。6、本专利技术也适用于二氧化锡(SnO2)，钛酸锂镧(LLTO)，钛酸钡(BTO)等多种氧化物陶瓷纤维膜，应用范围广、工艺简单、成本低。附图说明图1为制备的锂还原前后的TiO2膜的实物图。图2为本专利技术制备的还原后TiO2膜的电导率变化图。图3为本专利技术制备的还原后TiO2膜作为导线点亮LED灯实物图。图4为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：配置TiO2前驱体溶液，所述前驱体溶液含有钛源、高分子聚合物和溶剂；步骤2：将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25～55℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25～55℃，接收装置的转速为20～100n/min；步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜；步骤4：将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。

【技术特征摘要】
1.一种柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：配置TiO2前驱体溶液，所述前驱体溶液含有钛源、高分子聚合物和溶剂；步骤2：将所得的TiO2前驱体溶液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加25～55℃的恒温热场并控制接收装置的温度为25～55℃，接收装置的转速为20～100n/min；步骤3：将所得的前驱体纳米纤维膜在空气气氛下煅烧，得到柔性TiO2陶瓷纤维膜；步骤4：将所得的柔性TiO2陶瓷纤维膜在真空氛围下与金属锂片接触，并在纤维膜表面滴加溶剂，得到柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜。2.如权利要求1所述的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的前驱体溶液中，高分子聚合物与溶剂的质量比为1：10～1：80。3.如权利要求1所述的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的TiO2前驱体溶液的制备方法包括：在20～100℃下将高分子聚合物溶解在溶剂中搅拌30～480min，然后加入钛源，搅拌10～360min，得到TiO2前驱体溶液。4.如权利要求1所述的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的钛源为三氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、四氯化钛、硫酸氧钛、乙酰丙酮氧钛和钛酸四乙酯中的至少一种；所述的溶剂为水、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、乙酰丙酮，冰乙酸和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种；所述的高分子聚合物为聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。5.如权利要求1所述的柔性导电二氧化钛陶瓷纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的静电纺...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫建华，张苑苑，俞建勇，丁彬，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31