一种二维纳米片的制备工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种二维纳米片的制备工艺，包括以下步骤：步骤1：通过溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种二维纳米片的制备工艺


[0001]本专利技术涉及一种二维纳米片的制备工艺，特别涉及一种具有由取向微纳米纤维或微纳米条带构成的多级结构纳米片的近场静电纺丝制备工艺。

技术介绍

[0002]电子器件的微型化和多功能化发展，迫切需要能够制备纳米尺寸的多功能无机陶瓷材料。与纳米颗粒和纳米纤维相比，二维纳米片具有很强的形状各向异性，使得其物理化学性质也呈现各向异性特性，即沿面内和面外方向表现出截然不同的力学、电学、热学、光学等物理化学性质。由于其优异的各向异性特性，其往往可以作为填料与其它有机无机材料复合，能够提升复合材料的力学和物理化学性质，在生物医学、过滤、传感、催化、储能等领域具有极为重要的应用前景，逐渐引起了人们广泛关注。其中，石墨烯纳米片、氮化硼纳米片是最为典型的二维纳米材料，其在面内方向具有优良的导热性、电学性能，现已在传感器、储能器件等方面取得了广泛应用。近年来，铁电、铁磁、多铁材料纳米片因其优异的介电、压电、铁电和室温磁电性能，在储能、俘能、磁共振成像等领域具有潜在应用前景。因此，制备具有较大高宽比、高比表面积，以及优异各向异性的二维纳米片，对多功能微型电子器件开发和应用有着极为重要的意义。
[0003]目前，二维纳米片的制备方法主要包括分子束外延法、热蒸发法、溶液剥离法，以及水热生长法等。其中，分子束外延法的设备昂贵且真空度要求很高，晶体生长参数难以控制；热蒸发法虽然耗材少、工艺过程相对简单、制得的片状材料结晶好且晶粒尺寸可控，但是二维纳米片材料生长在衬底上，其转移存在挑战；溶液剥离法的产量较低，片状材料的厚度不够薄，同时对设备的要求较高；水热生长法的反应过程较为复杂，不可避免地产生杂质。总之，当前二维纳米片制备方法存在以下三大局限性：(1)合成过程复杂、成本高、纳米片很难与基底分离，以及效率低而难以大规模制备等；(2)不同无机陶瓷材料的制备要重新调节诸多实验参数，因而很难高效制备不同无机陶瓷纳米片；(3)纳米片没有多级结构，很难控制纳米片在面内也呈现各向异性特性。因此，迫切需要发展一种高产量、低成本、易推广、无污染制备多级结构的无机陶瓷纳米片新方法。
[0004]静电纺丝具有成本低廉、工艺简单、可纺材料种类多等优点，逐渐成为微纳米纤维或微纳米条带制造的一种重要方法。通过控制静电纺丝工艺参数，如改变接收器的形状、接收距离和喷嘴结构等，可以获得结构多样的无机陶瓷纤维或微纳米条带。近场静电纺丝是基于静电纺丝技术，将接收距离调节为毫米至微米级，以实现微纳米纤维的可控堆积，从而获得排列有序的微纳米纤维。因此，合理控制近场静电纺丝工艺，可以实现微纳米纤维或微纳米条带的取向排列，再通过合理的干燥和烧结工艺，有望制备得到由取向微纳米纤维或微纳米条带所构成的无机陶瓷纳米片。现有技术公开了基于静电纺丝技术制备一维纳米纤维的方法，和取向排列的纤维毡的方法。但是，目前还没有采用静电纺丝技术合成二维无机陶瓷纳米片，特别是具有由取向微纳米纤维或微纳米条带构成的多级结构纳米片。

技术实现思路

[0005]针对以上技术背景提到的二维纳米片制备方法存在的局限性，本专利技术提供一种制备具有由取向微纳米纤维或微纳米条带构成的多级结构纳米片的方法，该方法将无机陶瓷材料的前驱体溶液作为纺丝液，并对静电纺丝的工艺参数进行了调整，使得喷出的纤维在接收装置上呈平行取向排列，再通过合理的干燥和烧结工艺，制备得到由微纳米条带或微纳米纤维粘连而成的无机陶瓷纳米片；该方法制备所得纳米片具有由多条取向排列的纤维或条带构成的多级结构，其长度和宽度达到几微米至几百微米，而单层厚度为纳米级。
[0006]为此，本专利技术提供了一种二维纳米片的制备工艺，包括以下步骤：
[0007](1)通过溶胶
‑
凝胶法配制无机陶瓷材料的前驱体溶液；所述前驱体溶液包含溶剂、高分子聚合物，以及制备无机陶瓷的原料；
[0008](2)通过近场静电纺丝工艺，将前驱体溶液制备成纤维毡；
[0009](3)将制得的前驱体纤维毡放入烘箱中干燥一段时间，再放入马弗炉或高温炉中进行烧结，获得对应无机陶瓷二维纳米片。
[0010]本专利技术的专利技术原理如下：
[0011]将无机陶瓷材料的原料、溶剂、高分子聚合物制备静电纺丝前驱体溶液；并采用静电纺丝工艺，通过调节喷嘴相对接收装置做匀速往复运动的水平移动速度、延时以及接收距离，以获得具备由取向排列的微纳米纤维或微纳米条带粘连而成的纤维毡；再通过合理的干燥和烧结工艺，使得纤维毡转化为二维纳米片。喷嘴相对接收装置做匀速往复运动的水平移动速度决定纤维之间的间距，当水平移动速度过慢，则相邻的微纳米纤维或微纳米条带的间距小而相互融合，最终形成表面平整的纳米片；当水平移动速度过快，则相邻的微纳米纤维或微纳米条带的间距大，最终形成表面具有稀疏微纳米纤维或微纳米条带的纳米片。喷嘴相对接收装置做匀速往复运动中在接收装置两侧的延时决定纤维堆叠的形态，当延时过短，上下两层纤维堆叠时由于溶剂挥发不充分而相互融合，最终形成厚度较大、表面平整的纳米片；当延时过长，收集在接收装置上的纤维量少，并且接收装置两侧堆积的纤维容易与喷嘴发生接触，出现短路现象。接收距离决定纤维经由电场作用后在接收装置上形成微纳米纤维或微纳米条带，当接收距离过长，喷嘴喷出的纤维经过电场拉伸而出现分丝现象，最终形成圆形截面的纤维；当接收距离过短，喷嘴喷出的纤维在电场中短暂的拉伸后收集在接收装置上，没有分丝的现象，但纤维发生了坍塌，最终形成微纳米条带。
[0012]进一步说，步骤(1)中所述溶剂是易于挥发的有机溶剂，选自无水乙醇、乙酸、二甲基甲酰胺、丙酮、乙酰丙酮、乙二醇甲醚、N
‑
N二甲基吡咯烷酮中的任意一种或多种，优选为二甲基甲酰胺和丙酮的混合物。
[0013]其中，步骤(1)中所述高分子聚合物，选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚乙酸乙烯酯，及聚乙烯醇缩丁醛中的任意一种或多种，优选为聚乙烯吡咯烷酮。
[0014]通常而言，步骤(1)中所述高分子聚合物作为最后一步添加到有机溶剂中，混合均匀后的混合溶液作为静电纺丝的前驱体溶液，本
人员可根据实际选用的有机溶剂和聚合物的种类、添加含量来确定混合均匀的方式及处理时间。
[0015]其中，步骤(1)中所述制备无机陶瓷材料的原料选自钡源、钛源、铋源、铁源、钙源、锆源等中的至少两种或多种。
[0016]通常而言，所述钡源选自碳酸钡、乙酸钡、硫酸钡、硝酸钡、氢氧化钡、氯化钡以及氧化钡中的一种或多种；所述钛源选自二氧化钛胶体、三氯化钛、四氯化钛、硫酸氧钛、乙酰丙酮氧钛、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯以及钛酸四丁酯中的一种或多种；所述铋源选自碳酸铋、乙酸铋、硫酸铋、硝酸铋、氢氧化铋、氯化铋以及氧化铋中的一种或多种；所述铁源选自碳酸铁、乙酸铁、硫酸铁、硝酸铁、氢氧化铁、氯化铁、硫化铁以及氧化铁中的一种或多种；钙源选自碳酸钙、乙酸钙、硫酸钙、硝酸钙、氢氧化钙、氯化钙、硫化钙以及氧化钙中的一种或多种；锆源选自碳酸锆、乙酸锆、硫酸锆、硝酸锆、氢氧化锆、氯化锆、硫化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维纳米片的制备工艺，包括以下步骤：(1)通过溶胶
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凝胶法配制无机陶瓷材料的前驱体溶液，所述前驱体溶液包含溶剂、高分子聚合物，以及制备无机陶瓷材料的原料；(2)通过近场静电纺丝工艺，将前驱体溶液制备成纤维毡；(3)将制得的前驱体纤维毡放入烘箱中干燥一段时间，再放入马弗炉或高温炉中进行烧结，获得二维纳米片。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述溶剂是易于挥发的有机溶剂，选自无水乙醇、乙酸、二甲基甲酰胺、丙酮、乙酰丙酮、乙二醇甲醚、N
‑
N二甲基吡咯烷酮中的任意一种或多种，优选二甲基甲酰胺和丙酮的混合物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述高分子聚合物，选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚乙酸乙烯酯，及聚乙烯醇缩丁醛中的任意一种或多种，优选聚乙烯吡咯烷酮。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述制备无机陶瓷材料的原料选自钡源、钛源、铋源、铁源、钙源、锆源等中的至少两种或多种，钡源选自碳酸钡、乙酸钡、硫酸钡、硝酸钡、氢氧化钡、氯化钡以及氧化钡中的一种或多种，钛源选自二氧化钛胶体、三氯化钛、四氯化钛、硫酸氧钛、乙酰丙酮氧钛、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯以及钛酸四丁酯中的一种或多种，铋源选自碳酸铋、乙酸铋、硫酸铋、硝酸铋、氢氧化铋、氯化铋以及氧化铋中的一种或多种，铁源选自碳酸铁、乙酸铁、硫酸铁、硝酸铁、氢氧化铁、氯化铁、硫化铁以及氧化铁中的一种或多种，钙源选自碳酸钙、乙酸钙、硫酸钙、硝酸钙、氢氧化钙、氯化钙、硫化钙以及氧化钙中的一种或多种，锆源选自碳酸锆、乙酸锆、硫酸锆、硝酸锆、氢氧化锆...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘锴，李佳琪，邓思凤，欧云，山东良，刘运牙，谢淑红，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：