CN102214505B - 一种NiO@Al2O3@TiO2同轴三层纳米电缆的制备方法 - Google Patents

一种NiO@Al2O3@TiO2同轴三层纳米电缆的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的制备方法，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。将四水醋酸镍和聚乙烯吡咯烷酮PVP加入到N，N-二甲基甲酰胺DMF中，形成芯层纺丝液；将九水硝酸铝和PVP加入到DMF中，形成中间层纺丝液；将钛酸丁酯、PVP和冰醋酸加入到乙醇中，形成壳层纺丝液。(2)制备[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆。采用同轴静电纺丝技术，使用同轴三层喷丝头，电压为18kV，固化距离为17cm，室温22℃～25℃，相对湿度为40％～55％。(3)制备NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆。将前驱体复合电缆进行热处理，升温速率为1℃/min，在950℃保温8h，然后以1℃/min的速度降至200℃后自然冷却至室温，得到NiO(芯层)Al2O3(中间层)TiO2(壳层)同轴三层纳米电缆，直径为821-941nm，电缆长度＞300μm。

Description

一种NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的制备方法
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NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的制备方法。
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。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。
由于二氧化钛TiO2和氧化镍NiO具有优异的光催化、高的光电转化效率、超强的化学稳定性以及很好的生物相容性等性能，因而在光催化分解有机物、光电池电极、珠光材料、组织器官、消毒抗菌等方面获得广泛应用。氧化铝Al2O3具有良好的耐腐蚀性，较高的化学稳定性、热稳定性，广泛应用于冶金、机械、化工、电子、医学、航空和国防等方面。纳米化后的Al2O3在精密陶瓷方面更有着重要的应用，对其表面进行包覆处理，有望获得一些新的性能和应用。目前未见通过NiO、Al2O3和TiO2构建NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的报道，表示芯壳结构，即电缆结构，此电缆为三层电缆结构，芯层中间层壳层，芯层为NiO，中间层为Al2O3，壳层为TiO2，此纳米电缆具有特殊的结构，以期获得更广泛的应用。
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、Y2O3:RE3+(RE3+＝Eu3+、Tb3+、Er3+、Yb3+/Er3+)、NiO、Co3O4、Mn2O3、Mn3O4、CuO、SiO2、Al2O3、V2O5、ZnO、Nb2O5、MoO3、CeO2、LaMO3(M＝Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Al)、Y3Al5O12、La2Zr2O7等金属氧化物和金属复合氧化物。将静电纺丝技术进行改进，采用同轴喷丝头，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，也即得到同轴双层纳米电缆，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)，表示芯壳结构，前面的物质为芯层，后面的物质为壳层，即为芯层壳层结构，也即为双层电缆结构；董相廷等利用该技术制备了TiO2SiO2亚微米同轴电缆(化学学报，2007，65(23)：2675-2679)、ZnOSiO2同轴纳米电缆(无机化学学报，2010，26(1)，29-34)和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PU(Core)/PC(Shell)复合纳米纤维(Polymer Composites，2006，10：381-386)。目前，未见利用同轴静电纺丝技术制备NiOAl2O3TiO2同轴三层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、热处理工艺和喷丝头的结构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，喷丝头由三个截平的不同直径的注射器针头套在一起组成的同轴三层喷丝头，以四水醋酸镍Ni(CH3COO)2·4H2O、聚乙烯吡咯烷酮PVP和N，N-二甲基甲酰胺DMF的混合液为芯层纺丝液，以九水硝酸铝Al(NO3)3·9H2O、PVP和DMF的混合液为中间层纺丝液，以PVP、无水乙醇CH3CH2OH、冰醋酸CH3COOH和钛酸丁酯Ti(OC4H9)4的混合液为壳层纺丝液，控制纺丝液的粘度至关重要，在最佳的工艺条件下，获得[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆，即芯层中间层壳层结构复合电缆，再经过高温热处理后，得到结构新颖的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆。
发明内容
在背景技术中的制备同轴纳米电缆的方法有水热法、溶胶-凝胶法、基于纳米线法、气相生长法、模板法等，背景技术中的使用同轴静电纺丝技术制备的是无机物无机物、无机物高分子及高分子高分子纳米电缆等同轴双层纳米电缆，所使用的原料、模板剂、溶剂、喷丝头的结构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、采用同轴三层喷丝头制备了结构新颖的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆，以NiO为芯层，直径为129-147nm；中间层为Al2O3，厚度为206-224nm；壳层为金红石型TiO2，厚度为140-173nm，同轴三层纳米电缆的直径为821-941nm，电缆长度＞300μm。
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芯层、中间层和壳层纺丝液，控制纺丝液的粘度至关重要。采用同轴三层喷丝头、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[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆，即芯层中间层壳层结构复合电缆，经过高温热处理，PVP和CH3COOH氧化分解后挥发，芯层中的Ni(CH3COO)2氧化分解生成NiO，构成所生成的纳米电缆的芯层，中间层中的Al(NO3)3氧化分解生成Al2O3，构成所生成的纳米电缆的中间层，壳层中的Ti(OC4H9)4氧化分解生成了TiO2，构成了纳米电缆的壳层，这和以前报道的采用同轴静电纺丝技术制备同轴双层纳米电缆不同，最终得到结构新颖的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆。其步骤为：
(1)配制纺丝液
纺丝液中高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，分子量为90000，镍源使用四水醋酸镍Ni(CH3COO)2·4H2O，铝源使用九水硝酸铝Al(NO3)3·9H2O，钛源使用钛酸丁酯Ti(OC4H9)4，溶剂采用无水乙醇CH3CH2OH和N，N-二甲基甲酰胺DMF，冰醋酸CH3COOH为添加剂。将Ni(CH3COO)2·4H2O和PVP加入到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：Ni(CH3COO)2·4H2O为7％，PVP为11％，DMF为82％；将Al(NO3)3·9H2O和PVP加入到DMF中，室温下磁力搅拌6h，并静置3h，即形成中间层纺丝液，中间层纺丝液中各物质的质量百分数为：Al(NO3)3·9H2O为8％，PVP为11％，DMF为81％；将Ti(OC4H9)4、PVP和CH3COOH加入到CH3CH2OH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：Ti(OC4H9)4为20％，PVP为8％，CH3COOH为18％，CH3CH2OH为54％。
(2)制备[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆
喷丝头由三个截平的不同直径的注射器针头套在一起组成的同轴三层喷丝头，芯层喷头为截平后的5#不锈钢针头，外径为0.5mm，内径为0.232mm，中间层喷头为截平后的12#不锈钢针头，外径为1.2mm，内径为0.790mm，壳层喷头为截平后的兽用注射器针头，外径为3.6mm，内径为2.0mm，将配制好的芯层纺丝液加入到内管中，中间层纺丝液加入到中间管中，壳层纺丝液加入到外管中，调节芯层喷头、中间层喷头和壳层喷头的间隙以保证各层纺丝液顺利地流出，采用同轴静电纺丝技术，采用竖喷方式，喷头与水平面垂直，施加电压为18kV，喷头到接收屏铁丝网的固化距离为17cm，室内温度22℃～25℃，相对湿度为40％～55％，随着溶剂的挥发，在作为负极的铁丝网上就可以收集到[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆。
(3)制备NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆
对所获得的[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆进行热处理，升温速率为1℃/min，在950℃保温8h，然后以1℃/min的速度降至200℃后自然冷却至室温，至此得到NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆。
上述过程中所制备的结构新颖的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆，以NiO为芯层，直径为129-147nm；中间层为Al2O3，厚度为206-224nm；壳层为金红石型TiO2，厚度为140-173nm，同轴三层纳米电缆的直径为821-941nm，电缆长度＞300μm。实现了发明目的。
附图说明
图1是[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆的SEM照片。
图2是NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的XRD谱图。
图3是NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的SEM照片。
图4是NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的EDS谱图。
图5是NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的TEM照片，该图兼做摘要附图。
具体实施方式
实施例：将四水醋酸镍Ni(CH3COO)2·4H2O和聚乙烯吡咯烷酮PVP(分子量为90000)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：Ni(CH3COO)2·4H2O为7％，PVP为11％，DMF为82％；将九水硝酸铝Al(NO3)3·9H2O和PVP加入到DMF中，室温下磁力搅拌6h，并静置3h，即形成中间层纺丝液，中间层纺丝液中各物质的质量百分数为：Al(NO3)3·9H2O为8％，PVP为11％，DMF为81％；将钛酸丁酯Ti(OC4H9)4、PVP和冰醋酸CH3COOH加入到无水乙醇CH3CH2OH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：Ti(OC4H9)4为20％，PVP为8％，CH3COOH为18％，CH3CH2OH为54％。采用同轴静电纺丝技术进行喷丝。喷丝头由三个截平的不同直径的注射器针头套在一起组成的同轴三层喷丝头，芯层喷头为截平后的5#不锈钢针头，外径为0.5mm，内径为0.232mm，中间层喷头为截平后的12#不锈钢针头，外径为1.2mm，内径为0.790mm，壳层喷头为截平后的兽用注射器针头，外径为3.6mm，内径为2.0mm，将配制好的芯层纺丝液加入到内管中，中间层纺丝液加入到中间管中，壳层纺丝液加入到外管中，调节芯层喷头、中间层喷头和壳层喷头的间隙以保证各层纺丝液顺利地流出，采用竖喷方式，喷头与水平面垂直，施加电压为18kV，喷头到接收屏铁丝网的固化距离为17cm，室内温度22℃～25℃，相对湿度为40％～55％，随着溶剂的挥发，在作为负极的铁丝网上就可以收集到[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆。将纺出的[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆放入程序控温炉中进行热处理，升温速率为1℃/min，在950℃保温8h，然后以1℃/min的速度降至200℃后自然冷却至室温，得到NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆。所制备的[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆，见图1所示。所制备的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆具有良好的晶型，以NiO为芯层，中间层为Al2O3，其衍射峰的d值和相对强度与α-Al2O3的JCPDS标准卡片(10-0173)所列的d值和相对强度一致，空间群为R-3C，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，空间群为P42/mnm，见图2所示。所制备的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆直径为821-941nm，电缆长度＞300μm，见图3所示。NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆由Ni、Al、Ti和O元素组成(Au来自于SEM制样时表面镀的Au导电层)，见图4所示。所制备的NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的芯层NiO的直径为129-147nm，中间层Al2O3的厚度为206-224nm；壳层金红石型TiO2的厚度为140-173nm，见图5所示。
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、钛酸丁酯、四水醋酸镍、九水硝酸铝和冰醋酸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 (1)

1.一种NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆的制备方法，其特征在于，使用同轴静电纺丝技术，喷丝头由三个截平的不同直径的注射器针头套在一起组成的同轴三层喷丝头，制备产物为NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆，即芯层中间层壳层结构，芯层为NiO，中间层为Al2O3，壳层为TiO2，其步骤为：
(1)配制纺丝液
高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，镍源使用四水醋酸镍Ni(CH3COO)2·4H2O，铝源使用九水硝酸铝Al(NO3)3·9H2O，钛源使用钛酸丁酯Ti(OC4H9)4，溶剂采用无水乙醇CH3CH2OH和N，N-二甲基甲酰胺DMF，冰醋酸CH3COOH为添加剂，将Ni(CH3COO)2·4H2O和PVP加入到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：Ni(CH3COO)2·4H2O为7％，PVP为11％，DMF为82％，将Al(NO3)3·9H2O和PVP加入到DMF中，室温下磁力搅拌6h，并静置3h，即形成中间层纺丝液，中间层纺丝液中各物质的质量百分数为：Al(NO3)3·9H2O为8％，PVP为11％，DMF为81％，将Ti(OC4H9)4、PVP和CH3COOH加入到CH3CH2OH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：Ti(OC4H9)4为20％，PVP为8％，CH3COOH为18％，CH3CH2OH为54％，所述的聚乙烯吡咯烷酮PVP，其特征在于分子量Mr＝90000；
(2)制备[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆
喷丝头由三个截平的不同直径的注射器针头套在一起组成的同轴三层喷丝头，芯层喷头为截平后的5#不锈钢针头，外径为0.5mm，内径为0.232mm，中间层喷头为截平后的12#不锈钢针头，外径为1.2mm，内径为0.790mm，壳层喷头为截平后的兽用注射器针头，外径为3.6mm，内径为2.0mm，将配制好的芯层纺丝液加入到内管中，中间层纺丝液加入到中间管中，壳层纺丝液加入到外管中，调节芯层喷头、中间层喷头和壳层喷头的间隙以保证各层纺丝液顺利地流出，采用同轴静电纺丝技术，采用竖喷方式，喷头与水平面垂直，施加电压为18kV，喷头到接收屏铁丝网的固化距离为17cm，室内温度22℃～25℃，相对湿度为40％～55％，随着溶剂的挥发，在作为负极的铁丝网上就可以收集到[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆；
(3)制备NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆
对所获得的[Ni(CH3COO)2+PVP][Al(NO3)3+PVP][Ti(OC4H9)4+CH3COOH+PVP]前驱体复合电缆进行热处理，升温速率为1℃/min，在950℃保温8h，然后以1℃/min的速度降至200℃后自然冷却至室温，至此得到NiOAl2O3TiO2同轴三层纳米电缆。
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