本发明专利技术涉及一种同轴静电纺丝制备表面粗糙SiO2纤维的方法。本发明专利技术采用同轴静电纺丝工艺，壳层溶液是以聚乙烯吡咯烷酮为载体，白炭黑位于壳层溶液中，丝束在飞行过程中快速固化，白炭黑聚集体来不及或部分向纤维内部迁移，最终包覆于纤维表面。白炭黑粒子可以更为密集的分布于纤维表面，而纤维内部则没有或者极少有白炭黑粒子。所得纤维直径分布在200～1000nm，与表面光滑的SiO2纳米纤维相比，比表面积提高一倍，粗糙的表面有利于纤维与基体材料的界面结合，进而提高复合材料的性能。
【技术实现步骤摘要】
:本专利技术特别涉及一种同轴静电纺丝制备表面粗糙的超细二氧化硅纤维的方法，属于超细二氧化硅纤维材料领域。
技术介绍
:二氧化硅纤维(玻纤)性价比高，广泛用作聚合物复合材料的增强材料，产品涉及汽车、航天航空、医疗器械、电器绝缘等领域。与常规纤维相比，超细纤维具有较大的比表面积，较高的表面能和活性，易表面功能化且机械性能优良，在过滤、生物医药、纳米催化、纳米复合材料等领域存在巨大的潜在用途。Hao Feng等利用静电纺丝技术制备了超细二氧化硅纤维，并用作牙齿增强材料，取得良好效果。目前，静电纺丝法是制备超细纳米纤维的主要方法之一。静电纺丝技术是使带电的高分子溶液(或熔体)在高压静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。静电纺丝技术中，同轴静电纺技术是制备核壳结构纤维的重要方法，其原理是，电纺过程中，壳层粘性溶液在高压电场中通过对核层溶液形成“摩擦剪切力”而带动核层溶液形成同轴射流，该同轴射流的形成是成功制备同轴纳米纤维的关键因素。该方法是对核层纤维进行表面修饰的有效手段之一。电纺制备的超细二氧化硅纳米纤维由于具有闻比表面积、闻强度等优点，引起了科研工作者的广泛兴趣。通常以正硅酸乙酯为硅源，结合溶胶凝胶原理，利用静电纺丝技术可成功制备二氧化硅纤维。现有静电纺丝技术制备的二氧化硅纤维表面呈光滑状态，与同直径的表面修饰为粗糙状的纤维相比，比表面积较小，并且与基体材料结合时，缺乏物理啮合作用，界面较弱
技术实现思路
:本专利技术的目的是针对现有技术的问题，提供一种同轴静电纺丝技术制备表面粗糙二氧化硅纤维的方法。使纤维表面更粗糙，增大比表面积，改善界面结合，进而提高复合材料的性能，使纤维具有更重要的应用价值。本专利技术提供的，具体制备条件和步骤如下:步骤一:将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂(所述溶剂优选N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、无水乙醇或去离子水)中，制成质量浓度为I 60%的均一聚合物溶液；另将正硅酸乙酯溶于由酸性水溶液与无水乙醇组成的混合溶液中，制成质量浓度为I 95%的溶胶溶液，然后将聚合物溶液和溶胶溶液按溶质聚乙烯吡咯烷酮与正硅酸乙酯质量比为I: 0.01 40的比例混合，制成核层前驱体溶液。所述酸性水溶液优选pH值为1 6的盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、碳酸或磷酸的水溶液中的一种。酸性水溶液与无水乙醇的体积比优选为1: 0.2 5。步骤二:将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂(溶剂与步骤一中所用溶剂相同)中，搅拌形成质量浓度I 50%的均一溶液；然后将白炭黑加入上述溶液中，加入的量为白炭黑与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为I 50: 100，制成壳层前驱体溶液。步骤三:核层前驱体溶液和壳层前驱体溶液置于喷丝头为套筒结构的静电纺丝装置中，静电纺丝装置是由高压电源、注射泵、喷丝头及接收器组成的纺丝装置。设置静电纺丝参数为，核层溶液喷丝头内径0.1 0.5mm，壳层溶液喷丝头内径0.6 1.0mm，对于喷丝头的壁厚没有特殊要求，只要内外层(核壳层)能够相互套合即可。核层溶液流速0.1 1.6ml/h，壳层溶液流速0.1 2.0ml/h,电压5 25KV，接收器距离6 30cm，纺丝环境温度O 60°C，纺丝环境相对湿度I 80%，待射流稳定后，用接收器接收，可得到核壳结构的纤维网膜。步骤四:将步骤三所得纤维网膜于300 500°C下(可将纤维网膜置于空气气氛的高温控制箱中)保温2 24h，然后升温到600 1200°C烧蚀0.5 4h，自然冷却至室温，这一处理使有机物得以去除，即得到表面粗糙的二氧化硅纤维，纤维直径分布在200 lOOOnm。本专利技术的优势在于使用同轴静电纺丝工艺，将白炭黑置于壳层溶液中，同轴射流在飞行过程中快速固化，白炭黑聚集粒子来不及或部分向纤维内部迁移，最终包覆于纤维表层，而纤维内部则没有或者极少有白炭黑粒子，形成同轴纤维。同轴纤维经过600 1200°C烧蚀后处理，去除有机物，剩余由正硅酸乙酯溶胶凝胶生成的二氧化硅和白炭黑无机物，且白炭黑粒子黏附于二氧化硅纤维表面。所述纤维表面二氧化硅粒子的疏密程度影响到纤维表面粗糙状况，可通过静电纺丝内外层推进速度的不同配比等进行调控。本专利技术所得纤维直径分布在20 0 lOOOnm，与相同直径的表面光滑的SiO2纳米纤维相比，比表面积提高一倍左右，粗糙的表面有利于纤维与基体材料的界面结合。因纤维直径细小，并且表面呈凹凸状，进一步增大了材料的比表面积，在聚合物基体中少量添加时即可获得较大的接触面积，凹凸不平的结构使得纤维与基体之间产生了啮合作用，加强了纤维与基体材料的界面结合力。在纤维增韧聚丙烯的研究中，纤维添加量仅为2phr时，聚丙烯的冲击强度升高达25% (相对于添加2phr的光滑纤维)；而在纤维增强天然橡胶的实验中，纤维添加量为IOphr时，天然橡胶的50%定伸应力可达空白样(不添加纤维)的2倍多。此外，本专利技术的方法还具有所用设备简单、操作简单易行、成本低廉、易于工业化等特点。附图说明:图1为本专利技术(实施例l)Si02纳米纤维的扫描电镜(SEM)图，纤维表面粗糙。图2为单轴静电纺丝技术制备的SiO2纤维(对比例I)扫描电镜(SEM)图，其表面光滑。具体实施方式:下面结合实施例对本专利技术进行详细说明。对比例1:(I)称取正硅酸乙酯20.0g，无水乙醇0.5g，pH = 2的盐酸溶液0.lg，混合搅拌至均匀；称取聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 1.0g, N, N- 二甲基甲酰胺19.0g，混合搅拌至均匀； 将上述两种溶液混合，搅拌，得到纺丝前驱体溶液。(2)使用ES30P型高压电源、KDS100型注射泵和单轴结构的喷丝头组成的纺丝装置进行单轴静电纺丝。纺丝设备的参数如下:溶液推进速度1.0ml/h，喷丝头内径0.7mm，驱动电压15kv，接收距离20cm。温度25°C，湿度60%。依上述条件进行静电纺丝，使用转辊纤维接收器收集纤维，静电纺丝结束后，将纤维从转辊上撕下，得到单一结构的纤维网膜。(3)将纤维网膜置于马弗炉中升温到300°C保温2h (可以平铺，也可以卷曲或者折叠，无特别要求)，再继续升温到800°C，烧蚀0.5h，自然冷却到室温，即可制得表面光滑的SiO2纤维。如附图2扫描电镜(SEM)图所示的产物即为利用现有的技术——单轴静电纺丝法制备的SiO2纤维，其表面光滑，直径500nm，BET测试比表面积为5.3m2/g。该例与实施例1进行对比。对比例2:(I)取对比例I制备的光滑SiO2纤维作为增强材料(2)纤维增强橡胶的基本配方及质量份数为:NR烟片100，硬脂酸1，氧化锌5，防老剂D 2，防老剂4010NA 2，白炭黑T38350，硅烷偶联剂Si_694，硫磺1，促进剂ZD-22，促进剂DTDM 4，光滑SiO2纤维10。依照上述配方，将天然橡胶放入Φ 160mmX 320mm双辊开炼机塑炼，依次加入增塑齐U、防老剂、光滑SiO2纤维、硫化剂及促进剂，割胶打卷10次，出片。经25t电热平板硫化机模压硫化。(3)按照GB/T 529-1991在CMT4104型电子拉力试验机进行拉伸测试。样品的50%定伸应力为3.2MPa，空白样为2.1MPa0该例与实施例12进行对比。对比例3:(I)取对比例I制备的光滑SiO2纤维作为增强材料。(2)纤维增本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种同轴静电纺丝制备表面粗糙二氧化硅纤维的方法，具体制备条件和步骤如下：步骤一：将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂中，制成质量浓度1～60％的聚合物溶液；另将正硅酸乙酯溶于由酸性水溶液与无水乙醇组成的混合溶液中，制成质量浓度为1～95％的溶胶溶液；然后将聚合物溶液和溶胶溶液按溶质聚乙烯吡咯烷酮与正硅酸乙酯质量比为1∶0.01～40的比例混合，制成核层前驱体溶液；步骤二：将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂中，制成质量浓度为1～50％的溶液；然后加入白炭黑，加入的量为白炭黑与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～50∶100，制成壳层前驱体溶液；步骤三：核层前驱体溶液和壳层前驱体溶液置于喷丝头为套筒结构的静电纺丝装置中，设置静电纺丝参数为，核层溶液喷丝头内径0.1～0.5mm，壳层溶液喷丝头内径0.6～1.0mm，核层溶液流速0.1～1.6ml/h，壳层溶液流速0.1～2.0ml/h，电压5～25KV，接收器距离6～30cm，纺丝环境温度0～60℃，纺丝环境相对湿度1～80％，得到核壳结构的纤维网膜；步骤四：将步骤三所得纤维网膜于300～500℃下保温2～24h，然后升温到600～1200℃烧蚀0.5～4h，自然冷却至室温，即得到表面粗糙的二氧化硅纤维。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘力，张法忠，张鹏飞，温世鹏，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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