CN101789287A - 一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，属于纳米材料制备技术领域。本发明包括三个步骤：(1)配制纺丝液。将硝酸锌和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到N，N-二甲基甲酰胺中，形成芯层纺丝液；将PVP加入到钛酸丁酯和无水乙醇的混合液中，形成壳层纺丝液。(2)制备[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维。采用同轴静电纺丝技术，电压12～15kV。(3)制备ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆。将复合纳米纤维热处理得到ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆，电缆直径180-240nm，芯层直径160-200nm，壳层厚度10-20nm，电缆长度＞500μm。
Description
技术领域
本发明涉及无机纳米材料制备技术领域，具体说涉及一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法。
背景技术
一维纳米结构材料的制备及性质研究是目前材料科学研究领域的前沿热点之一。纳米电缆(Nanocables)由于其独特的性能、丰富的科学内涵、广阔的应用前景以及在未来纳米结构器件中占有的重要战略地位，近年来引起了人们的高度重视。同轴纳米电缆的研究起步于90年代中期，2000年以后发展比较迅猛，到目前为止，人们采用不同的合成方法，不同种类的物质已成功制备出了上百种同轴纳米电缆，如：Fe/C、Zn/ZnO、C/C、SiC/C、SiGaN/SiOxNy以及三层结构的Fe-C-BN和α-Si3N4-Si-SiO2等。根据纳米电缆芯层和鞘层材质不同可分为以下几类：半导体-绝缘体、半导体-半导体、绝缘体-绝缘体、高分子-金属、高分子-半导体、高分子-高分子、金属-金属、半导体-金属等。在过去的十多年中，人们在原有制备准一维纳米材料的基础上开发出许多制备同轴纳米电缆的方法，如：水热法、溶胶-凝胶法、基于纳米线法、气相生长法、模板法等。继续探索新的合成技术，不断发展和完善同轴纳米电缆的制备科学，获得高质量的同轴纳米电缆，仍是目前同轴纳米电缆研究的主要方向。
ZnTiO3是一种重要的无机功能材料，广泛用于微波介电陶瓷、固体氧化物燃料电池电极、金属-空气隔绝材料、气敏传感器、高温脱硫吸附剂、烷烃脱氢催化剂等。目前已经制备的ZnTiO3纳米材料的形态包括：纳米粒子、纳米薄膜等。徐静等，采用沉淀法以氨水为沉淀剂制备了纳米ZnTiO3粉体(鞍山科技大学学报，2007，30(5)，453-455)；曾东等，采用沉淀法以Na(OH)为沉淀剂制备了纳米ZnTiO3粉体(北京化工大学学报，2005，32(5)，39-42)；李哲等，采用沉淀法制备了纯立方相偏钛酸锌纳米粉(稀有金属材料与工程，2008，37(A01)，303-306)；郭光美等，采用均相沉淀法制备了钛酸锌纳米粉(无机盐工业，2006，38(6)，36-38)；蒋正静等，采用溶胶-凝胶法制备了纳米级钛酸锌粉体(光谱实验室，2002，19(5)，593-595)；林元华等，采用沉淀溶出法制备了纳米钛酸锌粉体(无机盐工业，1998，30(4)，13-14)；A.R.Phani，et al采用微波辐射与溶胶-凝胶法相结合技术制备了ZnTiO3纳米薄膜(Journal of Physics andChemistry of Solids，2007，68(3)，317-323)；M.R.Mohammadi，et al采用水溶液沉淀溶胶-凝胶技术制备了ZnTiO3纳米薄膜和纳米粒子(Journal of the European Ceramic Society，2010，30(4)，947-961)；Yee-Shin Chang，et al采用溶胶-凝胶技术制备了ZnTiO3纳米粉体(Journal ofCrystal Growth，2002，243(2)，319-326)；Yin-Lai Chai，et al等采用Pechini process制备了ZnTiO3纳米晶(Materials Research Bulletin，2008，43(5)，1066-1073)；Liqiu Wang，et al采用硬脂酸凝胶法制备了ZnTiO3纳米粉体(Journal of Crystal Growth，2009，311(3)，611-614)；ShufenWang，et al采用溶胶-凝胶法制备了ZnTiO3纳米晶(Materials Research Bulletin，2003，38(8)，1283-1288)。TiO2是一种重要的氧化物陶瓷，也是一种重要的半导体材料。它有着独特的光学、电学及化学性质，优良的化学稳定性，能够抵抗介质的电化学腐蚀，已被广泛应用于涂料、化妆品、半导体、传感器、介电材料、催化剂等领域。已被广泛应用于涂料、化妆品、半导体、传感器、介电材料、催化剂等领域。可以采用多种方法制备不同形貌的TiO2纳米材料。ZnTiO3和TiO2纳米复合材料，即ZnTiO3@TiO2纳米电缆可望具有重要应用。目前关于ZnTiO3@TiO2纳米电缆鲜见报道。
专利号为1975504的美国专利公开了一项有关静电纺丝方法(electrospinning)的技术方案，该方法是制备连续的、具有宏观长度的微纳米纤维的一种有效方法，由Formhals于1934年首先提出。这一方法主要用来制备高分子纳米纤维，其特征是使带电的高分子溶液或熔体在静电场中受静电力的牵引而由喷嘴喷出，投向对面的接收屏，从而实现拉丝，然后在常温下溶剂蒸发，或者熔体冷却到常温而固化，得到微纳米纤维。近10年来，在无机纤维制备技术领域出现了采用静电纺丝方法制备无机化合物如氧化物纳米纤维的技术方案，所述的氧化物包括TiO2、ZrO2、Y2O3、NiO、Co3O4、Mn2O3、Mn3O4、CuO、SiO2、Al2O3、V2O5、ZnO、Nb2O5、MoO3等金属氧化物。将静电纺丝技术进行改进，采用同轴喷嘴，将纺丝溶液分别注入到内管和外管中，当加高直流电压时，内外管中的溶液同时被电场力拉出来，固化后形成同轴纳米电缆，该技术即是同轴静电纺丝技术。王策等用该技术制备了二氧化硅@聚合物同轴纳米纤维(高等学校化学学报，2005，26(5)：985-987)；董相廷等利用该技术制备了TiO2@SiO2亚微米同轴电缆(化学学报，2007，65(23)：2675-2679)、ZnO@SiO2同轴纳米电缆(无机化学学报，2010，26(1)，29-34)、Al2O3/SiO2同轴超微电缆(硅酸盐学报，2009，37(10)，1712-1717)；Han，et al采用该技术制备了PC(Shell)/PU(Core)复合纳米纤维(Polymercomposites，2006，10：381-386)。目前，未见利用同轴静电纺丝技术制备ZnTiO3@TiO2纳米电缆的相关报道。
利用静电纺丝技术制备纳米材料时，原料的种类、高分子模板剂的分子量、纺丝液的组成、纺丝过程参数和热处理工艺对最终产品的形貌和尺寸都有重要影响。本发明采用同轴静电纺丝技术，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、钛酸丁酯和无水乙醇的混合液为壳层溶液，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、六水硝酸锌、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液为芯层溶液，控制壳层和芯层溶液的粘度至关重要，在最佳的工艺条件下，获得[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维，再经过高温处理后，得到结构新颖的ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆。
发明内容
在背景技术中的制备ZnTiO3和TiO2纳米粒子、纳米薄膜等的方法中，采用的是沉淀法、均相沉淀法、溶胶-凝胶法等。背景技术中的使用同轴静电纺丝技术制备的无机物@无机物、无机物@高分子及高分子@高分子纳米电缆，所使用的原料、模板剂、溶剂和最终的目标产物与本发明的方法不同。本发明使用同轴静电纺丝技术制备了结构新颖的ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆，以纯相金红石型TiO2为壳层，晶态的ZnTiO3为芯层，电缆直径约为180-240nm，芯层直径约160-200nm，壳层厚度约为10-20nm，电缆长度＞500μm。
本发明是这样实现的，首先制备出用于同轴静电纺丝技术的具有一定粘度的壳层和芯层纺丝溶液，控制壳层和芯层溶液的粘度至关重要。应用同轴静电纺丝技术进行静电纺丝，在最佳的工艺条件下，获得[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维，进行高温热处理，芯层中的Zn(NO3)2和壳层中与芯层接近的部分Ti(OC4H9)4反应生成了ZnTiO3，构成了所生成的纳米电缆的芯层，壳层中其余的Ti(OC4H9)4分解生成了TiO2，构成了纳米电缆的壳层，这和以前报道的采用静电纺丝技术制备同轴纳米电缆不同，最终得到结构新颖的ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆。其步骤为：
(1)配制纺丝液
纺丝液中钛源使用的是钛酸丁酯，高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量Mr＝1300000)，锌源使用六水硝酸锌。溶剂采用无水乙醇和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。将六水硝酸锌和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，室温下磁力搅拌4～6h，并静置2～3h，即形成芯层纺丝液。芯层纺丝液中各物质的质量百分数为：PVP 15～18％，硝酸锌8～10％，DMF 72～77％。将一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到钛酸丁酯和无水乙醇的混合液(体积比1∶4)中，室温下磁力搅拌3～6h，并静置2～3h，即形成壳层纺丝液。壳层纺丝液中各物质的质量百分数为：PVP 10～15％，乙醇+钛酸丁酯占85～90％。
(2)制备[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维
采用同轴静电纺丝技术，参数为：同轴喷嘴的构成采用内喷针为截平后的10#不锈钢注射针(外径＝1.0mm，内径＝0.7mm)，外喷针为12#不锈钢针头(外径＝1.4mm，内径＝1.2mm)。将两个喷针套好后固定，将配制好的壳层纺丝液置于同轴纺丝装置的外管中，内管中加入芯层纺丝液，调节内外喷嘴的间隙以保证外液顺利地流出。电压为12～15kV；喷嘴到接收屏的固化距离为10～15cm；室内温度22～28℃，相对湿度为45％～55％。
(3)制备ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆
对所获得的[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维进行热处理，技术参数为：升温速率为1～2℃/min，在800℃保温8～10h，自然降至室温，至此得到ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆。
上述过程中所制备的结构新颖的ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆，以纯相金红石型TiO2为壳层，晶态的ZnTiO3为芯层，电缆直径约为180-240nm，芯层直径约160-200nm，壳层厚度约为10-20nm，电缆长度＞500μm。实现了发明目的。
附图说明
图1是[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维的SEM照片。
图2是ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆的XRD谱图。
图3是ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆的SEM照片。
图4是ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆的EDS谱图。
图5是ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆的TEM照片，该图兼做摘要附图。
具体实施方式
实施例1：将六水硝酸锌和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，室温下磁力搅拌6h，并静置3h，即形成芯层纺丝液。芯层纺丝液中各物质的质量百分数为：PVP15％，硝酸锌8％，DMF 77％。将一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到钛酸丁酯和无水乙醇的混合液(体积比1∶4)中，室温下磁力搅拌3h，并静置2h，即形成壳层纺丝液。壳层纺丝液中各物质的质量百分数为：PVP 10％，乙醇+钛酸丁酯占90％。采用同轴静电纺丝技术进行喷丝。同轴喷嘴的构成采用内喷针为截平后的10#不锈钢注射针(外径＝1.0mm，内径＝0.7mm)，外喷针为12#不锈钢针头(外径＝1.4mm，内径＝1.2mm)。将两个喷针套好后固定，将配制好的壳层纺丝液置于同轴纺丝装置的外管中，内管中加入芯层纺丝液，调节内外喷嘴的间隙以保证外液顺利地流出。直流电场首先加入壳层溶液，再经外喷针传导给芯层溶液。当电场强度超过某个临界值后，内外液体分别从各自的喷针喷出，形成极细喷雾并迅速固化(雾中的溶剂迅速挥发)，转变成直径达到纳米级的[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维，采取竖喷方式，由接地的铁丝网收集屏收集。在环境温度22℃、环境湿度45％、电压12kV、接收距离10cm条件下进行静电纺丝。将纺出的原始复合纤维放入程序控温炉中，升温速率1℃/min，在800℃时恒温10h，自然降至室温，即得到ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆。所制备的[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维，见图1所示。所制备的ZnTiO3@TiO2纳米电缆具有良好的晶型，以纯相金红石型TiO2为壳层，其衍射峰的d值和相对强度与TiO2的JCPDS标准卡片(21-1276)所列的d值和相对强度一致，属于四方晶系；以晶态的ZnTiO3为芯层，其衍射峰的d值和相对强度与ZnTiO3的JCPDS标准卡片(26-1500)所列的d值和相对强度一致，属于六方晶系；见图2所示。所制备的ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆直径为180-240nm，电缆长度＞500μm，见图3所示。ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆由Zn、Ti、和O元素组成(Au来自于SEM制样时表明镀的Au导电层)，见图4所示。所制备的ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆的芯层ZnTiO3的直径约为160-200nm，壳层TiO2厚度约为10-20nm，见图5所示。
实施例2：将六水硝酸锌和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，室温下磁力搅拌4h，并静置2h，即形成芯层纺丝液。芯层纺丝液中各物质的质量百分数为：PVP18％，硝酸锌10％，DMF 72％。将一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到钛酸丁酯和无水乙醇的混合液(体积比1∶4)中，室温下磁力搅拌6h，并静置3h，即形成壳层纺丝液。壳层纺丝液中各物质的质量百分数为：PVP 15％，乙醇+钛酸丁酯占85％。采用同轴静电纺丝技术进行喷丝。同轴喷嘴的构成采用内喷针为截平后的10#不锈钢注射针(外径＝1.0mm，内径＝0.7mm)，外喷针为12#不锈钢针头(外径＝1.4mm，内径＝1.2mm)。将两个喷针套好后固定，将配制好的壳层纺丝液置于同轴纺丝装置的外管中，内管中加入芯层纺丝液，调节内外喷嘴的间隙以保证外液顺利地流出。直流电场首先加入壳层溶液，再经外喷针传导给芯层溶液。当电场强度超过某个临界值后，内外液体分别从各自的喷针喷出，形成极细喷雾并迅速固化(雾中的溶剂迅速挥发)，转变成直径达到纳米级的[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维，采取竖喷方式，由接地的铁丝网收集屏收集。在环境温度28℃、环境湿度55％、电压15kV、接收距离15cm条件下进行静电纺丝。将纺出的原始复合纤维放入程序控温炉中，升温速率2℃/min，在800℃时恒温8h，自然降至室温，即得到ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆，以纯相金红石型TiO2为壳层，以晶态的NiTiO3为芯层，电缆直径为185-240nm，长度＞500μm。
本发明所选用的聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、钛酸丁酯、六水硝酸锌均为市售分析纯产品。所用的玻璃仪器和设备是实验室中常用的。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，其特征在于，使用同轴静电纺丝技术，采用同一种高分子为模板剂，壳层纺丝液和芯层纺丝液为不互溶的两种纺丝液，制备产物为钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆，其步骤为：
(1)配制纺丝液
纺丝液中钛源使用的是钛酸丁酯，高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量Mr＝1300000)，锌源使用六水硝酸锌，溶剂采用无水乙醇和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，将六水硝酸锌和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，室温下磁力搅拌4～6h，并静置2～3h，即形成芯层纺丝液，芯层纺丝液中各物质的质量百分比为：PVP 15～18％，硝酸锌8～10％，DMF 72～77％，将一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到钛酸丁酯和无水乙醇的混合液(体积比1∶4)中，室温下磁力搅拌3～6h，并静置2～3h，即形成壳层纺丝液，壳层纺丝液中各物质的质量百分比为：PVP 10～15％，乙醇+钛酸丁酯占85～90％；
(2)制备[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维
采用同轴静电纺丝技术，参数为：同轴喷嘴的构成采用内喷针为截平后的10#不锈钢注射针(外径＝1.0mm，内径＝0.7mm)，外喷针为12#不锈钢针头(外径＝1.4mm，内径＝1.2mm)，将两个喷针套好后固定，将配制好的壳层纺丝液置于同轴纺丝装置的外管中，内管中加入芯层纺丝液，调节内外喷嘴的间隙以保证外液顺利地流出，电压为12～15kV；喷嘴到接收屏的固化距离为10～15cm；室内温度22～28℃，相对湿度为45％～55％；
(3)制备ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆
对所获得的[PVP+Zn(NO3)2]@[PVP+Ti(OC4H9)4]复合纳米纤维进行热处理，技术参数为：升温速率为1～2℃/min，在800℃保温8～10h，自然降至室温，至此得到ZnTiO3@TiO2多晶纳米电缆。
2.根据权利要求1所述的一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，其特征在于，使用的是钛酸丁酯，六水硝酸锌。
3.根据权利要求1所述的一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，其特征在于，高分子模板剂为分子量Mr＝1300000的聚乙烯吡咯烷酮。
4.根据权利要求1所述的一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，其特征在于，壳层纺丝液中，钛酸丁酯与无水乙醇的体积比为1∶4。
5.根据权利要求1所述的一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，其特征在于，静电纺丝电压为12～15kV范围内的1个。
6.根据权利要求1所述的一种制备钛酸锌@二氧化钛多晶纳米电缆的方法，其特征在于，升温速率为1～2℃/min范围内的1个。
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