CN103382625A

CN103382625A - 纳米薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN103382625A
Application number: CN2013103399061A
Authority: CN
Inventors: 何吉欢; 孔海燕
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: CN103382625B

Abstract

本发明公开了一种纳米薄膜的制备方法，包括步骤S1：制备聚乙烯醇的水溶液；所述聚乙烯醇的浓度为8～20wg%；S2：将碳材料纳米颗粒溶解于聚乙烯醇的水溶液中获得碳材料纳米颗粒与聚乙烯醇的混合溶液；所述碳材料纳米颗粒的浓度为0～20wg%；S3：应用纺丝装置将所述混合溶液喷射到接收装置上获得所述纳米薄膜；所述纳米薄膜的厚度可以达到数纳米。所获得的超薄纳米薄膜具有广泛的应用价值。

Description

纳米薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米薄膜的制备方法，具体涉及一种采用纺丝装置制备纳米薄膜的方法。

背景技术

纳米薄膜是指由尺寸为纳米量级的颗粒（晶粒）构成的薄膜或者层厚纳米量级的单层或多层薄膜，通常也称作纳米颗粒薄膜和纳米多层薄膜。

纳米薄膜分类方法有多种。按用途划分，纳米薄膜可分为纳米功能薄膜和纳米结构薄膜。纳米功能薄膜是利用纳米粒子所具有的力、电、光、磁等方面的特性，通过复合制作出同基体功能截然不同的薄膜；而纳米结构薄膜则是通过纳米粒子复合，对材料进行改性，是以提高材料机械性能为主要目的的薄膜。按层数划分，可分为纳米（单层）薄膜和纳米多层薄膜。其中，纳米多层薄膜包括“超晶格”薄膜，它一般是由几种材料交替沉积而形成的结构交替变化的薄膜。各层厚度均为纳米级。组成纳米单层薄膜和纳米多层薄膜的材料可以是金属、半导体、绝缘体、有机高分子，也可以是它们的多种组合，如金属—半导体、金属—绝缘体、半导体—绝缘体、半导体—高分子材料等，而每一种组合都可衍生出纵多类型的复合薄膜。目前对纳米薄膜的研究多数集中在纳米复合薄膜，这是一类具有广泛应用前景的纳米材料。当然，也可以按照薄膜的成分分类，包括金属薄膜、金属化合物薄膜、金属混合物薄膜、半导体薄膜、氧化物薄膜、无机薄膜、有机薄膜和复合薄膜。按照薄膜材料结构分类，可以分为单层薄膜、多层薄膜和纳米薄膜。按照薄膜材料功能分类，可以分为力学功能薄膜、热学功能薄膜、电学功能薄膜、光学功能薄膜、光电功能薄膜、磁学功能薄膜、电磁功能薄膜、声学功能薄膜和分子功能薄膜。

纳米薄膜具有多种用途，如可以改善一些机械零部件的表面性能，以减少振动，降低噪声，减小摩擦，延长寿命。这些薄膜在刀具、微机械、微电子领域作为耐磨、耐腐蚀涂层及其它功能涂层获得重要应用。目前，科研人员已从单一材料的纳米薄膜转向纳米复合薄膜的研究，薄膜的厚度也由数微米发展到数纳米的超薄膜。

发明内容

本发明的目的是一种采用静电纺丝装置制备纳米薄膜的方法，获得超薄纳米薄膜，薄膜厚度可达到数纳米，具有广泛的应用价值。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种纳米薄膜的制备方法，包括步骤：

S1：制备聚乙烯醇的水溶液；所述聚乙烯醇的浓度为8～20wg%；

S2：将碳材料纳米颗粒溶解于聚乙烯醇的水溶液中获得碳材料纳米颗粒与聚乙烯醇的混合溶液；所述碳材料纳米颗粒的浓度为0～20wg%；

S3：应用纺丝装置将所述混合溶液喷射到接收装置上获得所述纳米薄膜。

作为一种优选的方案，所述纺丝装置为气泡静电纺丝装置；所述纺丝装置为气泡静电纺丝装置；所述气泡静电纺丝装置包括贮液池、高压静电发生器、气泵、喷头、接收装置、导气管、金属电极和接地电极；所述贮液池的上端开口，底面设有垂直向上的喷头，喷头通过导气管与气泵相连，导气管与气泵相连处高于贮液池的液面，贮液池通过金属电极与高压静电发生器相连，贮液池正上方设有接收装置，所述接收板与接地电极相连；其中，接收装置可以为接收板或滚筒。

该方法具体包括以下步骤：

（1）、将聚乙烯醇与蒸馏水的混合物在80℃～90℃的温度下水浴加热，使聚乙烯醇溶解于水中获得聚乙烯醇的水溶液；

（2）、将碳材料纳米颗粒加入聚乙烯醇的水溶液中，超声振荡使碳材料纳米颗粒溶解于聚乙烯醇的水溶液中获得碳材料纳米颗粒与聚乙烯醇的混合溶液；

（3）、将所述碳材料纳米颗粒与聚乙烯醇的混合溶液注入气泡静电纺丝装置的贮液池；

（4）、打开气泡静电纺丝装置的气泵，先将导气管中的液体排出，然后加大气压使液面出现规律的气泡状凸起；所述气泵输出的气流的流速范围是0～100m/s；

（5）、打开气泡静电纺丝装置的高压静电发生器，使贮液池的液面与接收装置之间形成电场；所述高压静电发生器输出的电压范围是1V～100KV；

（6）调节接收装置与贮液池的液面的距离，距离范围是0.1cm～100cm；在电场力的作用下，贮液池液面的气泡顶端形成射流射向接收装置，在接收装置上形成纳米薄膜。

作为一种优选的方案，所述碳材料纳米颗粒为石墨；在石墨与聚乙烯醇的混合溶液中，石墨的浓度为0.5wg%。

在另一优选方案中，所述纺丝装置为针头式静电纺丝装置。

在另一优选方案中，所述纺丝装置为热空气涡流式气泡纺丝装置；进一步的，所述热空气涡流式气泡纺丝装置还可以连接有高压静电发生器，采用电场力与涡流共同作用制备所述纳米薄膜。

在本发明的技术方案中，所述纺丝装置涉及到高压静电发生器时，其电压范围优选为1V～100KV。

在本发明的技术方案中，所述纺丝装置的喷射口与接收装置的距离范围优选为0.1cm～100cm。

相比于现有技术，本发明工艺步骤简单，操作简便，耗能少，适于大批量生产纳米薄膜；且本发明的方法可以一步制备获得厚度达数纳米的薄膜材料，该纳米薄膜具有非常重要的应用前景，可以应用到不同的领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例制备纳米薄膜的流程示意图；

图2为本发明一实施例所采用的静电纺丝装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例制备获得的纳米薄膜的扫描电镜图，放大到5μm;

图4为如图3所述的纳米薄膜的扫描电镜图，放大到500nm;

图5为本发明又一实施例所采用的静电纺丝装置的结构示意图；

图6为本发明又一实施例所采用的静电纺丝装置的结构示意图；

图7为本发明一实施例制备获得的纳米薄膜的扫描电镜图，放大到5μm;

图8为本发明又一实施例所采用的静电纺丝装置的结构示意图；

图9为本发明又一实施例所采用的静电纺丝装置的结构示意图；

图10为本发明一实施例制备获得的纳米薄膜的扫描电镜图，放大到10μm。

具体实施方式

如前所述，本发明的目的是一种采用静电纺丝装置制备纳米薄膜的方法，获得超薄纳米薄膜，薄膜厚度可达到数纳米，具有广泛的应用价值。

本发明提供的技术方案如下：

如图1所示，一种纳米薄膜的制备方法，包括步骤：

本发明工艺步骤简单，操作简便，耗能少，适于大批量生产纳米薄膜；且本发明的方法可以一步制备获得厚度达数纳米的薄膜材料，该纳米薄膜具有非常重要的应用前景，可以应用到不同的领域。

其中，碳材料纳米颗粒可以为任意碳的同位素纳米颗粒。

优选的，纺丝装置可以为气泡静电纺丝装置；其中，气泡静电纺丝装置中的接收装置可以为接收板或滚筒。

在另一优选方案中，所述纺丝装置为针头式静电纺丝装置。

为了使本领域的技术人员能够更清楚的理解本发明的技术方案，下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

首先，制备碳材料纳米颗粒与聚乙烯醇的混合溶液，本实施例中选用的聚乙烯醇（PVA）产自国药集团化学试剂有限公司，分子量1750±50；碳材料纳米颗粒选用纳米石墨（产自Aladdin Chemistry Co.Ltd）。先将PVA与蒸馏水的混合物在80℃～90℃的温度下水浴加热3小时，使得PVA完全溶解于水中获得PVA的水体溶液；接着，将纳米石墨加入PVA的水溶液中，并在SL-650D超声波信号发生器（产自南京顺流仪器有限公司）中，振荡1小时，使得纳米颗粒均匀分散于PVA溶液中获得PVA/石墨混合溶液。其中，石墨的浓度为0.5wg%。

本实施例采用的纺丝装置为气泡静电纺丝装置，如图2所示，该气泡静电纺丝装置包括贮液池11、高压静电发生器12、气泵13、喷头14、接收板15、导气管16、金属电极17和接地电极18；所述贮液池11的上端开口，底面设有垂直向上的喷头14，喷头通过导气管16与气泵13相连，导气管16与气泵13相连处高于贮液池11的液面，贮液池11通过金属电极17与高压静电发生器12相连，贮液池11正上方设有接收板15，接收板15与接地电极18相连。

本实施例制备纳米薄膜的过程如下：首先在贮液池11中注入制备好的PVA/石墨混合溶液，接着打开气泵13，开始时气压较低，先将导气管16中液体排出，再慢慢加大气压，使液面出现有规律的气泡状凸起；然后打开高压静电发生器12，调节到20KV的电压，液体内部自由电荷在高压静电作用下将被极化，特别是气泡表面；距贮液池1上端口一定距离是接收板15，接收板15与喷射面的距离为20cm；接收板15与接地18相连形成负极，与贮液池11中的液面之间形成电场，当电场力大于溶液表面张力时，将有射流从气泡顶端射出，射向负电极，沉积在接收板15上，形成大量的纳米薄膜。

本实施例制备获得的纳米薄膜的扫描电镜图如图3、4所示，其厚度可达4nm。其中图3为放大到5μm的扫描电镜图，图4为放大到500nm的扫描电镜图。

实施例2

与实施例1相比，本实施例所采用的气泡静电纺丝装置的结构有所不同。如图5所示，该气泡静电纺丝装置包括贮液池21、高压静电发生器22、气泵23、喷头24、导气管26、金属电极27、接地电极28和滚筒25；所述贮液池21的上端开口，底面设有垂直向上的喷头24，喷头通过导气管26与气泵23相连，导气管26与气泵23相连处高于贮液池21的液面，贮液池21通过金属电极27与高压静电发生器22相连，贮液池21正上方设有滚筒25，滚筒25与接地电极28相连。

在该实例中，接收装置为滚筒25，并且滚筒25的转速可调；本实施例中滚筒25的接收面与贮液池的喷射面的距离为20cm，高压静电发生器22的电压为20KV；本实施例制备纳米薄膜的过程参阅实施例1。

实施例3

与实施例1相比，本实施例采用的纺丝装置为传统针头式静电纺丝装置，如图6所示，该针头式静电纺丝装置包括注射器31、灌注泵32、高压静电发生器33、接收极板34、针头35、接地电极36和金属电极37。灌注泵32推动注射器31，在静电作用下使得溶液在针头部分形成泰勒锥，当电场力大于泰勒锥表面张力时，带点射流从泰勒锥表面射出进行纺丝。本实施例中注射器31的针头35与接收极板34的距离为10cm；静电纺丝装置的电压为10KV；图7为本实施例制备获得的纳米薄膜的扫描电镜图，放大到5μm。

实施例4

与实施例1相比，本实施例采用的纺丝装置为热空气涡流式气泡纺丝装置，如图8所示，该热空气涡流式气泡纺丝装置包括贮液池41、热气流喷气槽（2个）42、气泵43、喷头44、导气管45和接收极板46；所述贮液池41的上端开口，贮液池41的底面设有垂直向上的喷头44，喷头通过导气管45与气泵43相连，导气管45与气泵43相连处高于贮液池41的液面，贮液池41正上方设有接收板46。

本实施例制备纳米薄膜的过程如下：首先在贮液池41中注入制备好的PVA/石墨混合溶液，打开气泵43，开始时气压较低，先将导气管45中液体排出，再慢慢加大气压，使液面出现有规律的气泡状凸起；然后通入热空气，热空气形成涡流，将气泡吹破，拉伸，进行纺丝；距贮液池41上端口一定距离是接收极板46，接收板46与喷射面的距离为20cm；当气泡破裂时，有射流从气泡顶端射出，沉积在接收板46上，形成纳米纤维20KV。

实施例5

与实施例4相比，本实施例在所采用的气泡静电纺丝装置中增加了高压静电发生器58，贮液池51通过金属电极57与高压静电发生器58相连，接收板56与接地59相连形成负极，如图9所示。本实施例制备纳米薄膜的过程参阅实施例4，其中接收板56与贮液池的喷射面的距离为20cm，高压静电发生器58的电压为：20KV；由于增加了高压静电发生器58，在制备纳米薄膜通过电场力与涡流共同作用进行纺丝，可使射流在流场中受到电场力与气流的耦合力作用，喷射过程更快速，使得生产的产品产量提高。

实施例6

与实施例1相比，本实施例选用的碳材料纳米颗粒炭灰，先将PVA与蒸馏水的混合物在90℃的温度下水浴加热3小时，使得PVA完全溶解于水中获得PVA的水溶液；接着，将炭灰加入PVA的水溶液中，并在SL-650D超声波信号发生器中振荡，使得炭灰均匀分散于PVA溶液中获得PVA/炭灰混合溶液。其中，炭灰的浓度为0.5%。

本实施例制备纳米薄膜的过程参阅实施例1的步骤。

本实施例制备获得的纳米薄膜的扫描电镜图如图10所示，放大到10μm。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种纳米薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，所述纺丝装置为气泡静电纺丝装置；所述气泡静电纺丝装置包括贮液池、高压静电发生器、气泵、喷头、接收装置、导气管、金属电极和接地电极；所述贮液池的上端开口，底面设有垂直向上的喷头，喷头通过导气管与气泵相连，导气管与气泵相连处高于贮液池的液面，贮液池通过金属电极与高压静电发生器相连，贮液池正上方设有接收装置，所述接收板与接地电极相连。

3.根据权利要求2所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

4.根据权利要求1或3所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，所述碳材料纳米颗粒为石墨；在石墨与聚乙烯醇的混合溶液中，石墨的浓度为0.5wg%。

5.根据权利要求3所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，所述接收装置为接收板。

6.根据权利要求3所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，所述接收装置为滚筒。

7.根据权利要求1所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，所述纺丝装置为针头式静电纺丝装置或热空气涡流式气泡纺丝装置。

8.根据权利要求7所述的纳米薄膜的制备方法，其特征在于，所述热空气涡流式气泡纺丝装置还连接有高压静电发生器，采用电场力与涡流共同作用制备所述纳米薄膜。