CN103073035A

CN103073035A - 一种氧化铝纳米管的制备方法

Info

Publication number: CN103073035A
Application number: CN 201110327588
Authority: CN
Inventors: 毛启明; 姜来新; 尹桂林; 何丹农
Original assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种氧化铝纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将聚丙烯腈、二甲基酰胺、聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，待溶液完全澄清后，保温并连续搅拌，制备纺丝液；将制备的纺丝液引入静电纺丝装置中喷射获得聚合物纤维；将获得的聚合物纤维在200℃下保温使聚合物分子充分交联；将获得的聚合物纤维用原子层沉积方法沉积一层氧化铝薄膜；将获得表面沉积有氧化铝薄膜的聚合物纤维在1000℃下煅烧1小时，即获得氧化铝纳米管。本发明方法简单，可控性好、成膜均匀。且可以实现大规模氧化铝纳米管的制备。该纳米管可以应用在纳米电缆、纳米控制杆、纳米电容器等方面。

Description

一种氧化铝纳米管的制备方法

技术领域

本发明涉一种氧化铝纳米管的制备方法，具体地说是一种利用静电纺丝和原子层沉积技术制备氧化铝纳米管的方法。

背景技术

由于纳米级材料的表面效应、量子尺寸效应等使得他们在诸多方面表现出常规材料不具备的特性而得到快速发展。一般地，纳米级材料包括纳米管，纳米线，纳米棒等。而制备纳米级材料的方法主要有：化学聚合法、化学气相沉积、电化学沉积法、溶胶凝胶沉积法。

目前，氧化铝纳米线，纳米级材料的应用前景广阔。具有高强度、高模量、超高的耐热性和耐高温氧化性等优点，主要用于：陶瓷薄膜、清除微量元素、过滤材料、去除水中有机污染、电绝缘体、隔热材料及陶瓷助燃剂等。氧化铝是各种纳米复合材料的理想结构增强剂，是高温下强耐热材料，是高吸附量的吸附剂。因而，随着应用的不断扩展和延伸，其制备方法也在不断发展。氧化铝纳米管主要用于制备纳米电缆、纳米控制杆、纳米电容器等方面。

除了采用传统的工艺方法外，氧化铝纳米管大部分是采用氧化铝模板法制备；南京理工大学的王连军等人采用球磨、铸膜、纺丝、烧结的办法制备出了氧化铝中空纳米纤维；最近韩国的S.Kim教授，就采用了湿法刻蚀ZnO/Al₂O₃复合结构膜制备出了氧化铝纳米管；但是，上述方法的缺点在于：多孔氧化铝模板的方法得到的纤维厚度难于控制，且厚度不均；球磨、铸膜、烧结方法工艺过程复杂，制备出的中空纤维均匀性差、膜收缩率和机械强度都不能满足需要；而湿法刻蚀的方法工艺复杂且步骤繁琐、产率不高、浪费资源。

静电纺丝技术是通过在聚合物溶液中施加外电场，来制造聚合物纤维的纺丝技术，是一种制造超精细纤维的方法。该方法与传统的方法不同。首先，将混合溶液带上高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Tayer锥顶点被加速，当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力而形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或者固化，最终落在接收装置上，形成纤维状结构。

而原子层沉积技术则是一种能够以原子层的厚度进行沉积超薄薄膜的现代技术。我们将静电纺丝技术与原子层沉积技术相结合。

由以上及技术方案可以看出，本发明就是采用聚合物纤维为模板制备氧化铝纳米管。这种聚合物模板可以通过控制纺丝过程中的溶液浓度和工艺参数，可制备出内径更小的纳米管（50nm）。另外，原子层沉积镀氧化铝膜的过程中，其沉积薄膜的过程的工艺参数可以精确控制，且成膜的致密性好。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种制备内径为纳米级、且厚度均匀，工艺可控，能实现大规模生产的氧化铝纳米管的制备方法。

本发明提供一种氧化铝纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将聚丙烯腈、二甲基酰胺、聚乙烯吡咯烷酮按质量比1:10~15：5~18混合均匀，在室温下超声30分钟，待溶液完全澄清后，在35~80℃下保温并连续搅拌10小时，纺丝液制备完毕；

（2）将步骤（1）制备的纺丝液引入静电纺丝装置中喷射获得聚合物纤维；

（3）将步骤（2）获得的聚合物纤维在200℃下保温4-6小时使聚合物分子充分交联；

（4）将步骤（3）获得的聚合物纤维用原子层沉积方法沉积一层氧化铝薄膜；

（5）将步骤（4）获得表面沉积有氧化铝薄膜的聚合物纤维在1000℃下煅烧1小时，且保持较低的升温速率，即获得氧化铝纳米管。

步骤（1）所述三种溶液的混合顺序为：将聚丙烯腈溶于二甲基酰胺中，在室温下搅拌至均匀后加入聚乙烯吡咯烷酮。

步骤（4）所述原子层沉积氧化铝薄膜的具体参数为：铝源前躯体是三甲基铝，水作为氧源，沉积温度是160-200℃。

步骤（5）所述的升温速率低于5℃/min。

本发明通过改变纺丝液的浓度配比、静电纺丝工艺参数、沉积工艺参数，真正实现了制备内径为纳米级、且厚度均匀、工艺可控、能实现大规模生产的氧化铝纳米管的方法。该纳米管可以应用在纳米电缆、纳米控制杆、纳米电容器等方面

本发明利用静电纺丝技术和原子层沉积技术相结合制备氧化铝纳米管的方法，制得的的氧化铝纳米管的为内径为30-200nm，氧化铝管壁厚度为20-100nm。本发明方法简单，可控性好、成膜均匀。且可以实现大规模氧化铝纳米管的制备。

具体实施方式

实施例1：

（1）按照质量比为聚丙烯腈：二甲基酰胺：聚乙烯吡咯烷酮=1:10：5称取上述原料各2g、20g、10g。将上述比例的聚丙烯腈溶于二甲基酰胺中，在室温下超声30min，待溶液完全澄清，加入聚乙烯吡咯烷酮，之后在35℃下保温并连续搅拌10小时，纺丝液制备完毕；

（2）将步骤（1）制备的纺丝液引入静电纺丝装置中，制备聚合物纤维。其中，电压为10kV，喷丝头和接收器之间的距离为10 cm，喷射的速率为0.5ml/h，在喷射30min后，停止纺丝。

（3）将步骤（2）获得的聚合物纤维在200℃下保温4小时使聚合物分子充分交联，之后，应用原子层沉积方法在聚合物纤维表面沉积氧化铝薄膜的具体参数为：铝源前躯体是三甲基铝，水作为氧源，沉积温度是160℃，沉积时间为20min。

（4）将步骤（3）获得表面沉积有氧化铝薄膜的聚合物纤维在1000℃下煅烧1小时，升温速率为5℃/min，即可获得氧化铝纳米管。

实施例2：

（1）按照质量比为聚丙烯腈：二甲基酰胺：聚乙烯吡咯烷酮：=1: 15： 18称取上述原料各2g、30g、36g。将上述比例的聚丙烯腈溶于二甲基酰胺中，在室温下超声30min，待溶液完全澄清，加入聚乙烯吡咯烷酮，之后在35℃下保温并连续搅拌10小时，纺丝液制备完毕；

（2）将步骤（1）制备的纺丝液引入静电纺丝装置中，制备聚合物纤维，其中，电压为25kV，喷丝头和接收器之间的距离为25 cm，喷射的速率为0.5ml/h，在喷射30min后，停止纺丝。

（3）将步骤（2）获得的聚合物纤维在200℃下保温4小时使聚合物分子充分交联，之后，应用原子层沉积方法在聚合物纤维表面沉积氧化铝薄膜的具体参数为：铝源前躯体是三甲基铝，水作为氧源，沉积温度是200℃，沉积时间为1小时。

实施例3：

（1）按照质量比为聚丙烯腈：二甲基酰胺：聚乙烯吡咯烷酮：=1: 13：10称取上述原料各2g、26g、10g。将上述比例的聚丙烯腈溶于二甲基酰胺中，在室温下超声30min，待溶液完全澄清，加入聚乙烯吡咯烷酮，之后在35℃下保温并连续搅拌10小时，纺丝液制备完毕；

（2）将步骤（1）制备的纺丝液引入静电纺丝装置中，制备聚合物纤维，其中，电压为20kV，喷丝头和接收器之间的距离为18 cm，喷射的速率为0.5ml/h，在喷射30min后，停止纺丝。

（3）将步骤（2）获得的聚合物纤维在200℃下保温4小时使聚合物分子充分交联，之后，应用原子层沉积方法在聚合物纤维表面沉积氧化铝薄膜的具体参数为：铝源前躯体是三甲基铝，水作为氧源，沉积温度是180℃，沉积时间为30min。

Claims

1.一种氧化铝纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将聚丙烯腈、二甲基酰胺、聚乙烯吡咯烷酮按质量比1:10~15：5~18混合均匀，在室温下超声30分钟，待溶液完全澄清后，在35~80℃下保温并连续搅拌10小时，制备纺丝液；

2.根据权利要求1所述一种氧化铝纳米管的制备方法，其特征在于步骤（1）所述三种溶液的混合顺序为：将聚丙烯腈溶于二甲基酰胺中，在室温下搅拌至均匀后加入聚乙烯吡咯烷酮。

3.根据权利要求1所述一种氧化铝纳米管的制备方法，其特征在于步骤（4）所述原子层沉积氧化铝薄膜的具体参数为：铝源前躯体是三甲基铝，水作为氧源，沉积温度是160-200℃。

4.根据权利要求1所述一种氧化铝纳米管的制备方法，其特征在于步骤（5）所述的升温速率低于5℃/min。