CN103498285A - 利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，步骤为：配置质量分数为6%-12%的聚乙烯醇溶液，放入磁性粒子搅拌子后密封；调温到90℃，恒温并磁力搅拌2-4小时直到得到均一透明的溶液；将磁性四氧化三铁纳米粒子分散于均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为0.1%-5%，超声波震荡分散24-48小时直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将聚合物溶液静电纺丝得到有序的纳米磁性复合材料。本发明利用磁控静电纺丝技术直接制备有序的纳米磁性复合材料，结构简单、操作方便、控制简单、工艺流程短。

Description

利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，尤其涉及一种利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法。

背景技术

纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子尺寸效应等特点，纳米材料与相同组成的体相材料相比具有一系列新异的物理、化学特性，在宇航、电子、冶金、化学、生物和医药等领域展示了广泛的应用前景。纳米磁性材料是20世纪70年代后逐步产生、发展、壮大，而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。纳米磁性材料的制备主要有纳米磁流体的制备、纳米磁性微粒的制备、纳米磁性微晶的制备、纳米磁性纤维及纳米磁性复合材料的制备。方法大致有物理法、化学法、分散法、单体聚合法和静电纺丝技术等。

随着纳米科技的兴起，人们给予能制备连续微纳米纤维的静电纺丝法以极大的关注，静电纺丝法是通过高压静电发生器产生的电场力拉伸聚合物溶液或熔体来制备超细纤维的重要方法，是一种操作简便、适用范围广、生产效率相对较高的纺制纳米纤维的方法。该方法已成为开发纳米材料的热点，并开拓了纳米纤维的潜在应用。

由于静电纺通常是无规取向的非织造布形式，限制了其一维纳米材料作为光电子器件的应用，增强了复合材料以及组织工程等某方面的应用。因此制备有序的纳米材料成为了一研究热点，现在制备有序纳米材料的方法大致有转轴法、平行电极法、转盘法、图案化电极法、导电模板法、磁控法等。静电纺有序纳米磁性材料的独特的性能可以用于组织工程支架，光电器件的电子元件和化学传感器中。

在磁控静电纺丝过程中影响静电纺丝工艺的几个重要参数，包括聚合物溶液质量分数、磁性粒子的质量分数、纺丝电压、接收距离、喷头孔径、环境温湿度和磁场强度等。在研究中发现这些参数的改变对纤维平行度、直径及其形态结构的影响很大，所以利用磁控静电纺制备有序纳米磁性材料时，其参数对纳米材料的有序性起到了至关重要的作用。

由于，纳米磁性材料的有序性决定着纳米磁性材料的应用效果，为此，我们希望在利用磁控静电纺丝技术制备有序纳米磁性材料的过程中能避免一些麻烦，可以直接制备出高质量的有序纳米磁性材料，进一步促进有序纳米磁性材料的应用。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的利用磁控静电纺丝技术制备有序纳米磁性材料的方法，以解决现有技术中的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，该方法提供了适宜的制备有序磁性纳米复合材料的原料配比和实验条件。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其包括如下步骤：

S1：用去离子水作溶剂，配置质量分数为6%-12%的聚乙烯醇溶液，将磁性粒子搅拌子放入聚乙烯醇溶液中，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

S2：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌2-4小时，直到得到均一透明的溶液；

S3：将磁性四氧化三铁纳米粒子分散于S2得到的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为0.1%-5%，超声波震荡分散24-48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀，得到磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液；

S4：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将S3得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液静电纺丝，得到有序的纳米磁性复合材料；

所述步骤S4中，将磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝具体包括步骤：将磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液加入贮液池中，高压供电装置连接在喷丝头上，接收板通过接地电源线接地，接收板两侧放置着两块高磁性的磁铁，形成磁场空间，打开高压供电装置，在喷丝头和接收板之间形成了一个电场，使喷丝头出口处的聚合物溶液在高压的作用下形成连续射流，并在磁场的作用下，含有均匀分散的磁性纳米粒子聚合物射流经过摆动、拉伸、蒸发、细发过程，最后在接收板上收集到平行有序的磁性纳米复合材料。

优选的，在上述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法中，所述步骤S4中进行静电纺丝时，磁场强度调节范围在20-120mT。

优选的，在上述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法中，所述步骤S4中进行静电纺丝时，接收板和喷丝头之间的距离调节范围为10-20cm。

优选的，在上述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法中，所述步骤S4中进行静电纺丝时，电压调节范围为15-25kv。

优选的，在上述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法中，所述步骤S4中进行静电纺丝时，流速设定范围为0.1-1.5ml/h。

从上述技术方案可以看出，本发明提供了适宜的制备有序磁性纳米复合材料的原料配比和实验条件，然后利用磁控静电纺丝技术直接制备有序的纳米磁性复合材料，结构简单、操作方便、控制简单、工艺流程短。

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，下面描述中的有关本发明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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法的流程图；

图2是本发明利用静电纺丝技术制备的有序纳米磁性复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明公开了一种利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，该方法提供了适宜的制备有序磁性纳米复合材料的原料配比和实验条件。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，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做出创造性劳动的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。

如图1及图2所示，本发明公开的利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其包括如下步骤：

S1：用去离子水作溶剂，配置质量分数为6%-12%的聚乙烯醇溶液，将磁性粒子搅拌子放入聚乙烯醇溶液中，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

S2：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌2-4小时，直到得到均一透明的溶液；

S3：将磁性四氧化三铁纳米粒子（20nm）分散于S2得到的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为0.1%-5%，超声波震荡分散24-48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀，得到磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液；

S4：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将S3得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液静电纺丝，得到有序的纳米磁性复合材料；

所述步骤S4中，将磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝具体包括步骤：将磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液加入贮液池中，高压供电装置连接在喷丝头上，接收板通过接地电源线接地，接收板两侧放置着两块高磁性的磁铁，形成磁场空间，打开高压供电装置，在喷丝头和接收板之间形成了一个电场，使喷丝头出口处的聚合物溶液在高压的作用下形成连续射流，并在磁场的作用下，含有均匀分散的磁性纳米粒子聚合物射流经过摆动、拉伸、蒸发、细发过程，最后在接收板上收集到平行有序的磁性纳米复合材料。

所述步骤S4中进行静电纺丝时，磁场强度调节范围在20-120mT。

所述步骤S4中进行静电纺丝时，接收板和喷丝头之间的距离调节范围为10-20cm。

所述步骤S4中进行静电纺丝时，电压调节范围为15-25kv。

所述步骤S4中进行静电纺丝时，流速设定范围为0.1-1.5ml/h。

从上述技术方案可以看出，本发明提供了适宜的制备有序磁性纳米复合材料的原料配比和实验条件，然后利用磁控静电纺丝技术直接制备有序的纳米磁性复合材料，结构简单、操作方便、控制简单、工艺流程短。

下面将结合几个具体的实施例对本发明的利用静电纺丝技术制备纳米多孔材料的方法进行进一步阐述。

实施例1

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为6%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌2小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为0.1%，超声波震荡分散24小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为10cm，调节纺丝时电压15kv，流速为0.1ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例2

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为6%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌3小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为1%，超声波震荡分散24小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为10cm，调节纺丝时电压15kv，流速为0.1ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例3

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为8%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌3小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为2%，超声波震荡分散24小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为15cm，调节纺丝时电压20kv，流速为0.5ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例4

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为8%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌3小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为3%，超声波震荡分散30小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为15cm，调节纺丝时电压20kv，流速为0.5ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例5

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为8%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌3小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为5%，超声波震荡分散24小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为15cm，调节纺丝时电压20kv，流速为1ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例6

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为10%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌3小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为4%，超声波震荡分散24小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为15cm，调节纺丝时电压20kv，流速为1ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例7

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为10%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌3小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为5%，超声波震荡分散24小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为15cm，调节纺丝时电压20kv，流速为0.5ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例8

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为12%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌4小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为5%，超声波震荡分散48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为15cm，调节纺丝时电压20kv，流速为0.5ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例9

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为12%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌4小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为5%，超声波震荡分散48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为20cm，调节纺丝时电压20kv，流速为0.5ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例10

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为12%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌4小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为5%，超声波震荡分散48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为20cm，调节纺丝时电压25kv，流速为1.0ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

实施例11

第一步：用去离子水作为溶剂，配置质量分数为12%的聚乙烯醇溶液，放入磁性搅拌子，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

第二步：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌4小时，直到得到均一透明的溶液；

第三步：将一定量的磁性四氧化三铁（20nm）纳米粒子分散于上一步的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为5%，超声波震荡分散48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀；

第四步：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将上面得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝，接收板和喷丝头之间的距离调节为20cm，调节纺丝时电压25kv，流速为1.5ml/h，通过磁控静电纺丝技术无需后处理可以直接得到有序的纳米磁性复合材料。

本发明提供了实验原料之间最适宜的质量配比，这种配比可以使得到的磁性纳米复合材料的顺磁性和有序性达到最好。

本发明利用磁控静电纺丝技术一步直接制备有序的磁性纳米材料，结构简单、操作方便、控制简单、工艺流程短，提供了最适宜制备有序纳米磁性材料的原料配比和实验条件。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：用去离子水作溶剂，配置质量分数为6%-12%的聚乙烯醇溶液，将磁性粒子搅拌子放入聚乙烯醇溶液中，然后将盛有聚乙烯醇溶液的容器密封；

S2：温度调到90℃，恒温并磁力搅拌2-4小时，直到得到均一透明的溶液；

S3：将磁性四氧化三铁纳米粒子分散于S2得到的均一透明的溶液中，所得四氧化三铁的质量分数为0.1%-5%，超声波震荡分散24-48小时，直到四氧化三铁纳米粒子分散均匀，得到磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液；

S4：在室温和相对湿度50%-80%，磁场强度5-200MT下，将S3得到的磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液静电纺丝，得到有序的纳米磁性复合材料；

所述步骤S4中，将磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液进行静电纺丝具体包括步骤：将磁性纳米粒子分散均匀的聚合物溶液加入贮液池中，高压供电装置连接在喷丝头上，接收板通过接地电源线接地，接收板两侧放置着两块高磁性的磁铁，形成磁场空间，打开高压供电装置，在喷丝头和接收板之间形成了一个电场，使喷丝头出口处的聚合物溶液在高压的作用下形成连续射流，并在磁场的作用下，含有均匀分散的磁性纳米粒子聚合物射流经过摆动、拉伸、蒸发、细发过程，最后在接收板上收集到平行有序的磁性纳米复合材料。

2.根据权利要求1所述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其特征在于：所述步骤S4中进行静电纺丝时，磁场强度调节范围在20-120mT。

3.根据权利要求1所述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其特征在于：所述步骤S4中进行静电纺丝时，接收板和喷丝头之间的距离调节范围为10-20cm。

4.根据权利要求1所述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其特征在于：所述步骤S4中进行静电纺丝时，电压调节范围为15-25kv。

5.根据权利要求1所述利用静电纺丝技术制备有序纳米磁性复合材料的方法，其特征在于：所述步骤S4中进行静电纺丝时，流速设定范围为0.1-1.5ml/h。

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