弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法：将高分子聚合物溶解于有机溶剂中，加入钛源得到溶胶，根据需要加入盐酸多巴胺，得到纺丝液；将所得纺丝液转移至两个注射器中进行尖端共轭静电纺丝，采用转杯作为接收装置，得到具有三明治结构的二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体；将二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体预干燥后煅烧，得到弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料。本发明专利技术所制备的二氧化钛纳米纤维体型材料具有良好的柔韧性和压缩回弹性，拉伸应变可达7％，密度小质量轻、耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、具有较好的隔热阻燃性能，且制备过程简单，环境污染小，能源消耗少，有利于规模化应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法，属于无机材料制备工艺


技术介绍

[0002]超轻陶瓷体型材料具有密度低、孔隙率高、比表面积大、热稳定性和化学稳定性优异等特点，在储能、隔热阻燃、环境催化、高温电磁波吸收和干扰屏蔽等领域具有很大的应用前景，如二氧化硅气凝胶、氧化锆纳米纤维海绵、氧化铝纳米管气凝胶、氮化硅纳米带气凝胶等。然而，大多数现有的陶瓷体型材料缺乏结构完整性，仅表现出有限的拉伸、压缩弹性变形能力，力学性能需进一步提高。目前提升陶瓷体型材料机械性能的方法通常涉及添加聚合物或碳组分，这将限制其在高温或恶劣环境中的应用。针对纯陶瓷材料，由于纳米纤维独特的长径比、纳米尺度效应带来的柔性以及纤维与纤维之间存在交联结构，纳米纤维基陶瓷体型材料具有超高的压缩回弹性。制备过程一般采用冷冻干燥法、溶液吹纺、化学气相沉积法、牺牲模板法等，上述得到的纳米纤维大多为碎片状的短纤，虽然在纳米纤维搭接处产生了交联效应，但这种点对点的粘结很难抵抗强应力或大变形。此外，精确控制温度、溶剂交换和超临界干燥使纳米纤维体型材料的合成过程比较费时费力。故开发较简便、低成本的弹性陶瓷纳米纤维体型材料制备方法显得尤为重要。
[0003]其中，二氧化钛纳米纤维陶瓷材料具有无毒，低成本，密度小，大比表面积，高孔隙率，独特的半导体电子结构等多重优点，可广泛应用于光催化、杀菌抑菌、环境治理、遮挡紫外线、隔热阻燃、过滤吸附等领域，受到研究者越来越多的关注。目前已有研究通过静电纺丝技术制备出可拉伸压缩的莫来石纳米纤维气凝胶，但二氧化钛纳米纤维不同于莫来石纳米纤维的非晶性，其结晶度较高，晶粒尺寸较大，表面缺陷多，脆性大，不易制备成柔性可拉伸压缩的体型材料，其往往作为增强剂或功能材料添加到其他陶瓷纳米纤维体型材料中。关于纯氧化钛纳米纤维体型材料的制备相关报道较少，故设计制备特殊结构的柔性可拉伸压缩二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是：提供一种具有弹性层状结构的二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1)：将高分子聚合物溶解于有机溶剂中，搅拌至溶液澄清透明后，加入钛源得到稳定的溶胶A，根据需要加入盐酸多巴胺，将盐酸多巴胺直接加入溶胶A中或溶解于醇类溶剂后再加入溶胶A中，继续搅拌至混合溶液澄清透明，得到纺丝液B；
[0007]步骤2)：将所得纺丝液B转移至两个注射器中进行尖端共轭静电纺丝，其中一个注射器与高压正极相连，另一个注射器与负极相连，采用转杯作为接收装置，接收装置接地；
纺丝过程中，环境温度设置为20～30℃，相对湿度设置为40％～60％，通过调节静电纺丝的工艺参数调整纤维在转杯内的堆积密度，得到具有底层、中间层、顶层即三明治结构的二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体；所述二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体中，中间层的纤维堆积密度较底层及顶层的纤维堆积密度小；
[0008]步骤3)：将二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体置于烘箱中预干燥以去除残余有机溶剂，然后采用阶梯式升温法在空气气氛下煅烧，得到弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料。
[0009]优选地，所述步骤1)中，高分子聚合物为聚氧化乙烯，其在纺丝液B中的质量分数为1～5％。
[0010]优选地，所述步骤1)中，有机溶剂为乙醇
‑
乙酸、异丙醇
‑
乙酸以及甲醇
‑
乙酸体系中的至少一种。
[0011]优选地，所述步骤1)中，钛源为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯以、钛酸四乙酯中的至少一种。
[0012]优选地，所述步骤1)中，盐酸多巴胺在纺丝液B中的质量分数为0.1～1
‰
。
[0013]优选地，所述步骤2)中，通过调节注射器针头与转杯中心O的距离和注射器中轴线与转杯中轴线的夹角α调整纤维在转杯内的堆积密度；在电场力和转杯旋转力的作用下，纤维平铺到转杯表面，在底层、顶层的纤维堆积过程中，转杯距离注射器较近，电场力和离心力较大，使纤维堆积紧密，形成较致密的纤维膜；在中间层的纤维堆积过程中，转杯距离注射器较远，电场力和离心力较小，使纤维堆积蓬松，形成较蓬松的海绵结构；由于纺丝过程的连续性，各层之间存在纤维连接。
[0014]更优选地，所述步骤2)中，底层与中间层之间、顶层与中间层之间通过卷曲纤维相互缠结。
[0015]优选地，所述步骤2)中，静电纺丝的工艺参数为：纺丝液灌注速度0.5～1.5mL/h，纺丝电压
±
6～
±
12kV，注射器针头与转杯中心O的距离为10～15cm，注射器中轴线与转杯中轴线的夹角α为30
°
～50
°
，转杯的转速20～45r/min，转杯的材质为不锈钢306。
[0016]优选地，所述步骤3)中，预干燥的温度为40℃，时间为8～24h；阶梯式升温法具体为以1～5℃/min的升温速率升至200～300℃保温1～3h，再以1～5℃/min升温至600～800℃煅烧1～3h。
[0017]优选地，所述弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的平均密度为15～20mg/cm3，其中，层状结构内三层的平均层厚为20～50μm，相邻层与层之间的平均距离为10～40μm，纤维平均直径为200～500nm，单纤维内部平均晶粒尺寸为10～30nm。本专利技术所得弹性层状结构二氧化钛纳米纤维体型材料可应用于阻燃、高温隔热等领域。
[0018]本专利技术的弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料密度小质量轻、耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀，具有良好的外观、柔韧性及一定的拉伸压缩回弹性，同时具备较好的隔热阻燃性能，且制备工艺环境污染小，简便易行，有利于规模化应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0020](1)本专利技术利用尖端共轭静电纺丝技术，通过调节注射器针头与转杯中心的距离及注射器中轴线与转杯中轴线夹角，得到具有底层，中间层，顶层结构的二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体，这种三明治构型使体型材料结构比较稳定。具体过程为，首先将注射
器针头与转杯中心的距离及注射器中轴线与转杯中轴线夹角调至较小，通过静电纺丝直接在转杯平铺纤维膜形成致密底层，再增大注射器针头与转杯中心的距离及注射器中轴线与转杯中轴线夹角以形成疏松中间层，最后致密顶层进行封装，得到结构稳定的二氧化钛陶瓷体型材料。由于注射器所连高压电极相反，静电纺纤维所带电荷相反，在电场力作用下异性相吸，纤维缠结后在转杯表面堆积。转杯旋转延长了纤维的固化时间，同时使纤维又平铺到堆积起的纤维上形成一层层纤维结构。纺丝液在喷丝口处形成“泰勒锥”，继续加大电压，静电斥力克服表面张力形成射流，先沿直线初步拉伸，然后进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将高分子聚合物溶解于有机溶剂中，搅拌至溶液澄清透明后，加入钛源得到稳定的溶胶A，根据需要加入盐酸多巴胺，将盐酸多巴胺直接加入溶胶A中或溶解于醇类溶剂后再加入溶胶A中，继续搅拌至混合溶液澄清透明，得到纺丝液B；步骤2)：将所得纺丝液B转移至两个注射器中进行尖端共轭静电纺丝，其中一个注射器与高压正极相连，另一个注射器与负极相连，采用转杯作为接收装置，接收装置接地；纺丝过程中，环境温度设置为20～30℃，相对湿度设置为40％～60％，通过调节注射器针头与转杯中心的距离和注射器中轴线与转杯中轴线的夹角调整纤维在转杯内的堆积密度，得到具有底层、中间层、顶层即三明治结构的二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体；步骤3)：将二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料前驱体置于烘箱中预干燥以去除残余有机溶剂，然后采用阶梯式升温法在空气气氛下煅烧，得到弹性层状结构二氧化钛陶瓷纳米纤维体型材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，高分子聚合物为聚氧化乙烯，其在纺丝液B中的质量分数为1～5％。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，有机溶剂为乙醇乙酸、异丙醇乙酸以及甲醇乙酸体系中的至少一种。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，钛源为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯以、钛酸四乙酯中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦文玲，程薇，费一帆，杨再慧，丁彬，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：